Elektrometanogeneze je forma výroby elektrického paliva , při které se metan vyrábí přímou biologickou přeměnou elektrického proudu a oxidu uhličitého [1] [2] [3] [4] .
Technologie výroby metanu byly předmětem zájmu vědecké komunity až do roku 2000, ale elektrometanogeneze zůstala mimo oblast zájmu až do roku 2008. Od roku 2008 se počet publikací týkajících se katalytické methanace zvýšil ze 44 na více než 130 [4] . Elektromethanogeneze přitáhla velkou pozornost díky svým navrhovaným aplikacím. Výroba metanu pomocí elektrického proudu může poskytnout obnovitelné úložiště energie [1] . Elektrický proud vyrobený z obnovitelných zdrojů energie lze elektrometanogenezí přeměnit na metan, který pak lze využít jako biopalivo . Elektrometanogenezi lze také vnímat jako metodu zachycování oxidu uhličitého a použitou k čištění vzduchu.
V přírodě dochází ke vzniku metanu bioticky i abioticky [1] [5] [6] . Abiogenní metan se vyrábí v menším měřítku a nezbytné chemické reakce nevyužívají organické látky [4] . Biogenní metan vzniká v anaerobním přírodním prostředí, kde metan vzniká v důsledku rozkladu organických materiálů mikroby nebo mikroorganismy [7] . Vědci zjistili, že produkci biogenního metanu lze v laboratoři replikovat prostřednictvím elektrometanogeneze. Redukce CO 2 během elektromethanogeneze je usnadněna elektrickým proudem na biokatodě v mikrobiálním elektrolytickém článku a mikroby a elektrony (rovnice 1) nebo abioticky produkovaným vodíkem (rovnice 2).
(1) CO 2 + 8H + + 8e - ↔ CH 4 + 2H20
( 2 ) C02 + 4H2↔ CH4 + 2H20
Biokatoda je katoda používaná v mikrobiální elektrolýze během elektrometanogeneze. Mikroorganismy v tomto případě slouží ke katalýze procesu přijímání elektronů a protonů z anody [8] . Biokatoda je obvykle vyrobena z levného materiálu, jako je uhlík nebo grafit, stejně jako anoda [5] . Populace mikrobů umístěná na biokatodě musí zachytit elektrony z materiálu elektrody (uhlík nebo grafit) a přeměnit tyto elektrony na vodík.
Mechanismus elektrometanogeneze je znázorněn na obrázku 1. Voda je přiváděna do systému s anodou, biokatodou a mikroby. Na anodě mikroby přitahují molekuly H 2 O, které jsou poté oxidovány po zapnutí elektrického proudu ze zdroje. Kyslík se uvolňuje ze strany anody. Protony a elektrony oxidované z H 2 O procházejí membránou, kde vstupují do materiálu tvořícího biokatodu. Nový mikrob na biokatodě má schopnost přenášet nové elektrony z materiálu biokatody a převádět je na protony. Tyto protony jsou pak použity v hlavní dráze, která pohání produkci metanu při elektrometanogenezi, redukci CO 2. CO 2 vstupuje na biokatodovou stranu systému, kde je redukován protony produkovanými mikroorganismy za vzniku H 2 O a methanu (CH 4 + ) . Vzniká metan, který se pak může uvolnit ze strany biokatody a uložit [4] [6] [7] [9] .
Jedním z omezení je ztráta energie v bioelektrochemických systémech, které produkují metan. K tomu dochází v důsledku přepětí na anodě , membráně a biokatodě. Energetické ztráty výrazně snižují účinnost procesu [4] [6] [7] . Dalším omezením je biokatoda. Jelikož je biokatoda tak důležitá pro výměnu elektronů a tvorbu metanu, její složení značně ovlivňuje účinnost reakce [1] . Probíhají pokusy zlepšit biokatody používané v elektrometanogenezi kombinací nových a stávajících materiálů, změnou tvaru materiálů nebo aplikací různých „předúprav“ na povrch biokatody, čímž se zvýší biokompatibilita.