[发明专利]微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置与方法

权利要求书

1.一种微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置，它包括由隔膜分隔开的阳极室和阴极室，阳极室内设置有阳极，阴极室内设置有阴极，阳极和阴极在阳极室和阴极室外部通过电源串联形成回路，其特征在于，所述阴极将阴极室分隔为阴极液室和阴极气室，所述阴极为气体扩散电极。

2.根据权利要求1所述的微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置，其特征在于，所述的阴极由富含催化剂的碳布制成；所述的阳极为碳毡制成；所述的隔膜材料为阳离子交换膜。

3.根据权利要求2所述的微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置，其特征在于，所述的阴极，其催化剂为钴，其负载量为1～5mg·cm^-2。

4.根据权利要求3所述的微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置，其特征在于，所述的阴极按如下步骤制备得到：

(1)碳布浸渍在5wt％的聚四氟乙烯的水溶液中，350～380℃条件下处理2～4h，使碳布疏水化；

(2)将炭黑、水、乙醇、聚四氟乙烯乳液按质量比0.2～2：3～5：10～15：5～10进行超声混合，得到的混合物涂敷到电极表面靠近阴极气室的一侧，并在350～380℃条件下处理0.5～1h，制备电极扩散层；

(3)在步骤(2)得到的电极扩散层上再涂15～30wt％的聚四氟乙烯的水溶液作为防水层，并在350～380℃条件下处理0.5～1h；

(4)将卟啉钴、水、乙醇和5wt％Nafion溶液按质量比为0.5～5：2～6：8～12：1～7进行超声混合后，将其涂敷到电极表面不含扩散层和防水层的另一侧，制备催化层；

(5)将步骤(4)处理后的电极在60～80℃烘干，得到所述富含催化剂的阴极。

5.根据权利要求1所述的微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置，其特征在于，阴极表面位于阴极液室的一侧附有产乙酸菌的微生物膜。

6.利用权利要求1所述的装置还原二氧化碳产乙酸的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(a)在生物电化学系统的阳极室中加入阳极液，在阴极液室中加入阴极液，在阴极液室接入产乙酸菌，产乙酸菌通过驯化，在阴极表面靠近阴极液室的一侧也就是催化层上形成生物膜；

(b)分别更换新鲜的阳极液和阴极液，阳极室通入氮气，阴极气室通入氮气和二氧化碳，进入到阴极的气相扩散通道，微生物在阴极的亲水面，可直接获得从外加电源通过电极传递来的电子，并通过阴极上催化剂催化，将二氧化碳还原成乙酸，收集阴极液为含有乙酸的溶液。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，所述的驯化，方法如下：在生物电化学系统的阳极室中加入阳极液，在阴极室中加入阴极液，并接种2～10％v/v的产乙酸菌，然后在阳极室通入N₂，在阴极气室通入N₂、CO₂、H₂比例为60～80:10～20:10～20的混合气体，外加电压为1.8～4V，每个周期反应7天，7天后阳极液全部更换，阴极液更换一半，每个周期结束时，测定阴极液室中乙酸的含量，当前后两个周期，乙酸含量基本不变时，说明阴极上的生物膜驯化成功。