综述：CO2 排放的生物电化学转化——温室气体捕获与可再生能源存储策略：电转甲烷技术进展评述

这篇综述深入探讨了电转甲烷（P2M）技术如何利用产甲烷古菌（Archaea）将间歇性可再生能源与CO2 转化为高纯度甲烷（CH4 ），兼具温室气体减排与能源存储双重优势。文章重点分析了地热排放（geothermal electromethanogenesis）和工业尾气作为CO2 源的潜力，并指出电极材料、微生物代谢路径（如氢营养型/自养型产甲烷）和系统放大化是当前技术瓶颈。

　　

Abstract
电转甲烷（Power-to-Methane, P2M）作为生物电化学（BEP2G）技术的代表，正成为能源转型中的焦点。该技术通过产甲烷古菌的代谢活动，将间歇性风光电能与CO₂
转化为可兼容现有天然气基础设施的“绿色甲烷”，同时实现碳捕获（CCU）与能源存储的双重目标。

Bioelectrochemical Power-to-Gas processes
与依赖镍/钌催化剂的传统Sabatier反应（CO₂

• 4H₂
  → CH₄
• 2H₂
  O）不同，生物电化学版本利用微生物催化，在温和条件下实现更高选择性。产甲烷菌通过氢营养型（H₂
  /CO₂
  ）或直接电子传递途径还原CO₂
  ，其能量效率可达60%以上，远超电解水制氢（P2H）的35-45%。

The choice of CO₂
sources
地热排放因高CO₂
纯度（>95%）和低氧含量成为理想选择，而钢铁厂、沼气提纯尾气等工业源需解决H₂
S等抑制物问题。有趣的是，直接空气捕集（DAC）虽成本高昂，但可与分散式可再生能源系统耦合。

Microbiological mechanisms
Methanosarcinales和Methanobacteriales是电转甲烷的主力菌群，其氢化酶和细胞色素c的协同作用实现了从电极到CO₂
的电子传递。研究显示，混合菌群比纯培养更具抗逆性，但可能降低CH₄
选择性。

Critical electrochemical components
碳基电极（如石墨毡）因生物相容性和成本优势成为主流，而质子交换膜（PEM）的渗漏问题推动无膜系统发展。实验室规模（<1L）的双室反应器已实现1.15 mol CH₄
/m²
/d的产率，但放大至工业级仍需解决电极间距导致的欧姆损耗。

Operational parameters
pH 6.5-7.5和55-65°C（嗜热菌体系）可优化产甲烷活性，而施加-0.8V（vs. SHE）的阴极电位能避免竞争性产乙酸反应。值得注意的是，脉冲供电模式比持续通电提升能效达20%。

Conclusion and perspectives
尽管技术成熟度（TRL）仅达5级，但地热P2M与农业废弃物处理的结合已展示商业化潜力。未来突破点在于开发抗生物腐蚀的廉价电极材料，以及通过合成生物学改造产甲烷菌的电子摄取效率。