零間隙反應器如何將CO2轉化為甲烷？

反應器利用再生能源電力分解水產生氫氣，電極間僅隔一層薄膜以降低電阻。產甲烷菌隨即消耗氫氣，將二氧化碳轉化為甲烷。系統庫倫效率達95%以上，能量效率約45%至47%。

這個反應器放大後效率會下降嗎？

不會。團隊將電極面積擴大約10倍、流道增至近12英吋，透過零間隙設計和多流體端口技術，內部電阻未增加，甲烷產量與效率維持在高水準。

甲烷是天然氣的主要成分，可直接利用現有天然氣管線和基礎設施進行儲存與運輸。研究團隊構想未來在太陽能或風力電廠旁設置甲烷生產設施，就地將電力轉化為甲烷注入管線。

美國賓州州立大學（Pennsylvania State University）研究團隊成功開發出一款更大、更高效的反應器，能將二氧化碳與再生能源電力轉化為甲烷，為再生能源的長期儲存提供了一條可行路徑。

由 Bruce Logan 教授領導的國際團隊，在不犧牲效能的前提下成功放大了微生物電合成（microbial electrosynthesis）系統的規模，克服了該技術面臨的最大挑戰之一。

該反應器利用太陽能、風能等再生能源所產生的電力分解水並產生氫氣。隨後，一種稱為「產甲烷菌」（methanogens）的微生物會迅速消耗氫氣，並將二氧化碳轉化為甲烷——天然氣的主要成分。

研究人員指出，所產生的甲烷可利用現有的天然氣基礎設施進行儲存和運輸，有望為長期再生能源儲存開闢全新途徑。

「傳統上，大規模的長期儲能意味著將水泵到高處，再讓它流過渦輪機發電，」Logan 表示。「如果要談論季節性儲能，就真的需要將能量轉化為化學形式。」

微生物電合成系統過去一直難以突破實驗室規模的限制，因為系統放大後效率往往大幅下降。

為解決這個問題，團隊開發了一種放大版的「零間隙」（zero-gap）反應器設計，其中電極之間僅以一層薄膜隔開。這種配置降低了內部電阻，並改善了系統內部的能量傳輸效率。

研究人員將電極面積擴大了約 10 倍，內部流道長度增加至近 12 英吋（約30公分）。儘管設計大幅放大，反應器仍維持了強勁的甲烷產量與高能量效率。

「即使我們將系統大幅放大，內部電阻並沒有變差，」Logan 說。「這是因為我們能更有效率地利用電極產生的氫氣。」

反應器還採用多個流體端口，使液體和氣體更均勻地分布在系統中，有助於維持穩定的運作條件。

在攝氏 30 度的測試條件下，反應器每天每公升反應器體積最高可產生 6.9 公升甲烷。系統的庫倫效率（coulombic efficiency）達到 95% 以上，這意味著絕大部分電能被直接轉化為甲烷，而非浪費在副反應中。

研究人員報告的能量效率約為 45% 至 47%，他們表示這在標準條件下運作的微生物電合成系統中名列前茅。

該研究也釐清了反應器內部甲烷生成的機制。

微生物並非直接從電極收集電子，而是系統先透過水分解產生氫氣，產甲烷菌再迅速消耗氫氣以更高速率生產甲烷。

「我們分解水來製造氫氣，而產甲烷菌就在旁邊立即使用它，」Logan 解釋。「你可以把它想像成一個水電解器——用電力將水分解為氫和氧——再結合一個生物系統。」

研究人員認為，未來的甲烷發電設施可以建設在再生能源電廠旁邊，直接連接到天然氣管線網路。

「我設想甲烷發電廠建在太陽能或風力發電場旁邊，」Logan 說。「不是把電力送上電網，而是在現場使用它來生產甲烷，然後注入天然氣管線。」

這項研究已發表於學術期刊《Water Research》。

原文來源： 查看原文