综述：电化学沼气升级：能源、环境、经济与工程考量

这篇综述系统探讨了电化学技术作为可持续替代方案在沼气升级中的应用，涵盖预处理、微生物转化增强、CO2捕获与还原反应（eCO2RR）及甲烷化等关键环节，重点分析了微生物电解池（MEC）、生物电化学系统（BES）等技术路径，指出其可实现>92%的CH4纯度和>99.9%的H2S脱除率，同时通过可再生能源整合实现10%-74%的生命周期温室气体减排。

　　

电化学沼气升级技术全景

技术背景与挑战

沼气作为生物质厌氧消化（AD）产物，含45%-75%甲烷（CH₄）和25%-50%二氧化碳（CO₂），需升级至CH₄含量>90%才能替代天然气。传统方法如胺洗涤和膜分离能耗高且环境负担重，而电化学技术利用可再生能源电力驱动CO₂转化，兼具碳减排与能源回收潜力。

核心电化学路径

1. 微生物辅助系统：直接注入绿氢（H₂）至厌氧消化器，氢营养型产甲烷菌通过伍尔夫循环将CO₂转化为CH₄，最高纯度达99%。但H₂溶解度低（1.6 mg/L）制约效率，采用中空纤维膜反应器可提升气液传质效率。

2. 生物电化学系统：微生物电解池（MEC）通过阳极氧化有机物释放电子，阴极产H₂进而合成CH₄。单室MEC在0.3-1.0 V低电压下实现93% CH₄产率，而微生物电合成（MES）分离反应器设计更利于规模化。

3. 电化学CO₂捕获与转化：pH摆动法通过电解调节局部酸碱度，在阴极捕获CO₂为碳酸盐，阳极释放高纯度CO₂用于后续还原。铜基催化剂在eCO₂RR中表现突出，Ni-Cu合金催化剂法拉第效率（FE）达99.7%，但需克服析氢反应（HER）竞争。

性能与效率指标

• 法拉第效率：微生物系统CH₄选择性达92%-99%，eCO₂RR为50%-80%。

• 能耗对比：电化学捕获理论能耗0.2-0.7 MWh/吨CO₂，低于胺吸收（0.7-1.0 MWh/吨）。

• 环境效益：风电驱动eCO₂RR可实现-1270 kgCO₂eq/吨CH₄的净负排放，较化石路径减排超400%。

工程化瓶颈与创新方向

1. 催化剂设计：铜（Cu）纳米晶面调控可优化*CO中间体吸附，掺杂Ni或Zn提升稳定性。熔融盐电解在600°C下FE达97.4%，但高温操作增加成本。

2. 系统集成：耦合CO₂捕获与转化的模块化设计可减少中间步骤，如奥迪Werlt工厂将沼气CO₂与风电电解H₂合成e-CH₄。

3. 污染协同处理：电化学洗涤器利用活性氯氧化H₂S，去除率>99.9%，同时处理NH₃等杂质。

经济性与政策驱动

当前电化学升级成本约8.05美元/kg CH₄（化石电），若采用风电（0.039美元/kWh）可降至1.76美元/kg。欧盟碳税需达270欧元/吨CO₂才能使e-CH₄具备市场竞争力。

未来展望

重点突破方向包括：开发单原子催化剂提升TOF（如Ru-N-C达0.93 s^-1）、优化三相界面以降低过电位、开展全生命周期环境经济评估。沼渣增值利用（如CO₂富集液灌溉提升土壤固碳38.9%）将推动循环生物经济闭环。

电化学沼气升级技术正从实验室走向产业化，其成功部署需跨学科协作解决材料、工艺与系统级挑战，最终实现从“废弃物”到“负碳能源”的跨越。