(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210817461.2 (22)申请日 2022.07.12 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙正 街174号 (72)发明人 张代钧　花宇真　杜豪敏　卢培利　 (74)专利代理 机构 重庆市前沿专利事务所(普 通合伙) 50211 专利代理师 廖巧玫　肖秉城 (51)Int.Cl. C12N 1/36(2006.01) C12N 1/20(2006.01) C25B 11/02(2021.01) C25B 1/02(2006.01) C12R 1/01(2006.01) (54)发明名称 一种电解高效产氢生物阴极及其驯化方法 (57)摘要 本发明公开了一种电解高效产氢生物阴极 的驯化方法， 包括以下步骤： S1.采用培养液对微 生物燃料电池(MFC)的生物阳极进行驯化， 所述 培养液以甲酸盐为底物； S2.将S1中驯化完成的 生物阳极通过电极极性反转为微生物电解池 （MEC） 的生物阴极； S3.向所述生物阴极通入无机 碳源进行生物阴极的驯化。 本发 明提供的方法能 够降低阴极产氢成本且更好地维持MEC阴极产氢 的稳定性。 同时， 本发明选用了甲酸盐而非其他 有机碳源培养得到的甲基营养型微生物在转变 为生物阴极时可利用甲酸脱氢酶、 氢化酶等有效 促进生物阴极催化产氢。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 115029292 A 2022.09.09 CN 115029292 A 1.一种电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1.采用培养液对微生物燃料电池(MFC)的生物阳极进行驯化， 所述培养液以甲酸盐为 底物； S2.将S1中驯化完成的生物阳极通过电极 极性反转 为微生物电解池 （M EC） 的生物阴极； S3.向所述 生物阴极通入无机碳源进行生物阴极的驯化。 2.根据权利要求1所述电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特征在于： 所述甲酸盐的 浓度为5‑20 mmol/L。 3.根据权利要求1所述电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特征在于：  所述培养液 还包括KCl  0.37 ~0.74 g/L、 NaCl  0.29 ~0.58 g/L、 NH4Cl 0.14 ~0.28 g/L、 MgSO4·7H2O  0.05 ~0.1 g/L、 CaCl2 0.05 ~0.09 g/L、 NaHCO3 2 ~3 g/L以及微 量元素2 ~5 mL/L。 4.根据权利要求1所述电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特征在于， 将驯化完成的 生物阳极通过电极 极性反转 为微生物电解池 （M EC） 的生物阴极， 具体为： 将驯化完成的MFC生物阳极作为M EC的生物阴极， 并设置与所述 生物阴极对应的阳极； 电极极性反转时， 生物阴极电位的控制范围为 ‑0.7 V vs. SHE ~  ‑0.9 V vs. SHE。 5.根据权利要求1所述电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特征在于： 所述生物阴极 对应的阳极为 化学阳极或生物阳极。 6.根据权利要求1所述电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特征在于： 所述无机碳源 为气态CO2或NaHCO3。 7.根据权利要 求6所述电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特征在于， 采用气态CO2对 生物阴极进行驯化包括以下步骤： 保持S2步骤 中的电位控制范围， 以10~20 mL/min的气体流速向生物阴极通入气态CO2， 持续时间为6 0~70 h； 当MEC电流密度呈现出 先逐渐增大后保持稳定状态， 即生物阴极驯化完成。 8.根据权利要求1所述电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 其特征在于： 所述步骤S1 ‑   S3均在H型双室生物电化学反应 器中进行。 9.一种电解高效产氢生物阴极， 其特征在于， 采用权利要求1至8任意一项所述驯化方 法获得。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115029292 A 2一种电解高 效产氢生物阴极及其驯化方 法 技术领域 [0001]本发明涉及 一种电解高效产氢生物阴极及 其驯化方法， 属于微生物电解池技术领 域。 背景技术 [0002]在倡导绿色经济 的时代背景下， 氢能源作为一种零碳能源， 同时也是每单位质量 含能高的二次能源， 可达到燃烧过程中的零碳排放。 因此氢能源可作为未来替代城市生活、 工业生产中化石燃料的绿色能源， 解决因化石燃料燃烧造成的环境污染以及当下化石燃料 大量消耗而储量有限的问题。 此外， 氢气还可作为其他重要环节中的电子供体， 例如氢气可 以作为二氧化碳还原产气态、 液态有机物过程中的重要中间物质， 实现在非农业种植下 的 二氧化碳转化为有机物。 [0003]微生物电解池(Microbial  Electrolysis Cell， 简称 MEC)能通过施加一定电能使 吉布斯自由能大于零无法自发进 行的反应克服热力学阻碍而进行， 是一个输入电能产出化 学能的装置， 可在阳极氧化去除溶解 性有机物的同时实现阴极产生氢气。 [0004]目前微生物电解池产氢从选用电极方面主要可分为两大类(1)生物阳极、 化学阴 极微生物电解池产氢。 该过程以微生物阳极氧化有机物后产生CO2、 e‑和H+， 以化学阴极， 例 如铂片或化学合成材料修饰电极作为阴极产氢。 该法产氢效果较好， 但缺点是化学阴极例 如铂片等贵金属成本高。 (2)生物阳极、 生物阴极微生物电解池产氢。 该法阳极反应同样为 有机物氧化产生质子、 电子， 区别在于其阴极是通过微生物催化产氢可降低阴极材料成本。 从微生物电解池构型方面可分为(1)单室产氢MEC， 即阴极、 阳极之间无隔膜(例如质子交换 膜)的MEC， 单室构型优点在于结构简单、 便于操作， 但存在 因无隔膜导致的阳极、 阴极产气 混合造成的回收气体不纯问题以及阳极微生物利用氢气而造成氢损失。 (2)双室产氢MEC， 即阴极、 阳极之间有隔膜的MEC。 双室产氢MEC优点在于阴极室产氢与阳极室产气分隔易 收 集， 缺点在于构型、 操作相较于单室复杂。 [0005]在MEC产氢过程中开发性能优越的阴极一直是该技术的关键。 选用催化性能优的 贵金属铂， 存在成本昂贵、 在复杂溶液中易中毒等问题。 利用合成化学材料修饰电极可达较 优产氢效果， 但化学催化剂的催化活性、 稳定性会在长期运行中减弱。 生物催 化剂应用于阴 极产氢具有运行成本低， 可持续产氢 的优点， 但存在生物阴极在低电极电位条件限制微生 物获取能量， 生物 膜在阴极生长缓慢， 生物阴极难培 养等问题。 发明内容 [0006]本发明是提供一种电解高效产氢生物阴极的驯化方法， 可高效产氢且产氢效率稳 定。 [0007]为达到上述目的， 本发明所采用的技术方案是： 一种电解高效产氢生物阴极的驯 化方法， 包括以下步骤： S1.采用培养液对微生物燃料电池(MFC)生物阳极进 行第一次驯化， 所述培养液以甲酸盐为底物； S2.将第一次驯化完成的MFC生物阳极通过电极极性反转为说　明　书 1/5 页 3 CN 115029292 A 3