Mikroporösa ledande membran utvecklade vid KAUST förväntas bidra till att forma framtiden för mikrobiell elektrosyntes för CO₂ omvandlingstekniker. Membranen stimulerar samtidigt tillväxten av CO₂ -äta mikrober och hjälpa till att separera de biokemiska produkterna.

Mikrobiell elektrosyntes är en lovande strategi för att minska människans koldioxidavtryck. Den använder specifika levande mikrober för att omvandla CO₂ till användbara kemikalier i en elektrokemisk cell via en reduktionsreaktion under pålagd spänning. Med minskningen av CO₂ , förökar sig mikroberna för att bilda en biofilm på cellens katod, men deras tillväxt involverar en omständlig anrikningsprocess i flera steg som tar mer än 30 dagar.

Denna anrikningsprocess är en stor flaskhals för att uppnå industriellt attraktiv biokemisk produktion och CO₂ biokonvertering. En ytterligare avledning är de komplexa och energikrävande tekniker som används för att isolera produkterna, som huvudsakligen består av acetat.

Huvudförfattaren Bin Bian, postdoc i Pascal Saikalys grupp, och medarbetare hade tidigare använt elektrokemiska bioreaktorer utrustade med ledande ihåliga fibermembran för att behandla avloppsvatten. När de gjorde detta upptäckte de en tjock biofilm som bildades på hålfibermembranen efter mikrofiltrering. "Detta antydde att en liknande anrikningsprocess för CO₂ -ätande av biofilmer kan uppnås i mikrobiella elektrosyntessystem, säger Bian.

Inspirerade av denna upptäckt designade forskarna metallbelagda keramiska ihåliga fibermembran för att tillverka ledande katoder som påskyndar mikrobiell tillväxt samtidigt som det gör acetat lättare att separera. Beläggningen bestod av likformigt fördelade nickelnanopartiklar som katalyserar elektrolysen av vatten till väte, en nyckelmediator i elektronöverföringen mellan membran och mikrober.

Forskarna utvärderade prestandan hos deras membrankatod i abiotiskt medium och i närvaro av slam. De fann att i båda fallen var den nickelkatalyserade produktionen av väte avgörande för att öka den mikrobiella tillväxten och CO₂ omvandling till acetat. "Dessutom fungerade de ihåliga fibrerna som CO₂ -leveranskanaler till mikroberna adsorberade på deras yta och förbättrade följaktligen effektiviteten av CO₂ minskning", säger Bian.

Mikrobiella elektrosyntessystem som använder de nickelbelagda hålfiberkatoderna uppnådde en stabil CO₂ biokonvertering inom en månad. "Detta överträffade våra förväntningar", säger Bian och noterar att tidigare system krävde minst tre månader för att nå stabil drift. "Detta är en viktig aspekt för framtida uppskalning", förklarar han.

Samtidigt som teamet arbetar med prestandaförbättringar utökar teamet nu reaktorvolymen och behandlingskapaciteten för deras mikrobiella elektrosyntessystem. De undersöker också sätt att integrera sitt system med kedjeförlängningsteknologi för att utöka bioomvandlingen till andra förädlade biokemikalier än acetat och metan.

Forskningen publicerades i Chemical Engineering Journal . + Utforska vidare

Hjälpsamma mikrober andas in koldioxid genom en porös cylindrisk elektrod och utsöndrar användbara kemikalier