研究简介:电化学技术为废水处理和化学合成提供了一种清洁而强大的工具。（生物）电化学系统通过向微生物生长的电极施加电势来催化（微生物）转化。微生物将施加的能量直接用作电子或间接用作氢，氢在阴极由电子和质子形成。微电极传感器有一个薄的尖端（低至1μm），这使得测量具有与尖端尺寸相同的空间分辨率。传感器可以沿着轮廓轴移动来测量梯度。微电极传感器已经应用于许多不同的领域，包括生物化学，植物科学，微生物学和生物医学，但是它们在电化学系统中的应用仍然有限。微电极传感器在电化学系统中的应用有望通过电流型微传感器的应用而变得合适，电流型微传感器测量由微电极表面上的氧化还原反应产生的电流信号。在（生物）电化学系统中使用电位微电极分析局部梯度时，需要解决电场干扰问题，解决该问题的最佳方法是尽量减小传感电极和参比电极之间的距离。在定制的传感器中，参比电极和测量电极内置在同一个传感器中，并与导电液体相连。虽然这给出了可靠的结果，但较厚的微传感器尖端不允许传感器移动超过600μm的距离而不穿透生物膜上毫米宽的孔。短距离足以测量2D电极上的生物膜内部，但不能用于测量通常用于生物阳极或生物阴极中的几毫米或甚至厘米厚的3D多孔电极内部。


在本研究中，提出使用一种微电极感测器（unisense）应用于开发了（生物）电化学系统来测量电解液中的梯度，并首次测量整个多孔3D电极。方法开发包括三个步骤。首先设计了一个反应器，其关键功能允许在几厘米范围内进行微轮廓测量，保持厌氧条件和10 L/h的连续无泄漏液体电解质再循环。实用技巧和方案以便于使用和小心处理微传感器。第二，反应器设计用于显示H的微观分布。第三，提出并验证了一种克服电位微传感器测量过程中电场干扰的校正方法，利用该方法，电位微传感器最终可以应用于（生物）电化学系统中的梯度精确测量，即使在高电流（−10 kA/m）下也是如此）。校正方法用于显示电场电位、ORP和pH的梯度分布。研究中的分布显示电极表面的整体条件和局部条件之间存在显著差异，这突出了所提出的方法的重要性及其在传质研究中的可能应用。


实验步骤


将实验台（LS18）、微操作器（MM33-2）、电机驱动微操作器平台（MMS）和电机控制器（MC-232）组合在一起，以精确操作微传感器（Unisense）。H2微电极传感器（H2-50），pH微电极（pH-50），氧化还原电位微电极（RD-50），参比微电极（REF-100）和电位电极（EP-100）用于微成型，所有尖端尺寸均为40-60μm（全部来自Unisense，在宏观下确定相对传感器长度，以能够在图中组合不同的传感器测量。对于电位微传感器，将两个外部毛细管安装在5mm以上和反应器中阴极下方7mm处，毛细管填充有凝胶化的3M KCl，并通过填充有液体3M KCl的管道连接到Ag/AgCl参比电极。


实验结果


unisense微传感器在电化学系统中测量梯度的成功应用。反应器的测量井垂直于剖析方向，允许剖析电解液无泄漏再循环条件。所提供的手册和视频说明将帮助未来的用户应用这种方法。分析了电解质中的局部H2、电势、pH和ORP，并首次在整个多孔电极中进行了分析。对于电位型微传感器，局部电场电位校正是一种可靠的校正电场扰动的方法。这些传感器的应用可以扩展到电化学系统中生物膜梯度和局部反应器条件的研究

图1、带有再循环、流入液、流出液和pH值控制的电化学槽的设置。阳极电解液再循环以绿色显示，便于查看。

图2、在（生物）电化学反应器中制作微轮廓的装置。将电化学反应器放置在升降板（D）上，该升降板以17°倾角（A）连接到接地板上。为了制作微轮廓，将微传感器放置在马达工具头夹（B）中，并通过套筒（C）进入反应器。为了测量微剖面图，阴极电解液循环被短暂停止，以"套管"（图二C）进入微传感器。用硅脂润滑微传感器颈部，以确保颈部和套管之间的水密密封。硅脂允许电解质无泄漏地移动传感器。在将微传感器固定在套管中之后，再次打开再循环，并且可以形成微剖面，在此期间，使用电动工具（默认速度和加速度为1000μm/s和1000μm/s）将微电极传感器取下，步长为100μm）（图二B）刺穿石墨电极，并通过阴极层形成梯度，直至插入到电池内的膜。

图3、在-200 mA和无电流条件下，两个电化学反应器（1和2）内氢浓度随距离变化的曲线图，左图为反应器示意图，每个反应器（1和2）绘制了两次曲线图。在没有电流施加到电化学电池的情况下，没有检测到氢气。在施加电流的情况下，最靠近反电极的阴极电解液中的氢浓度低（图三20-25mm的距离），并且在最靠近反电极的阴极处最高。

图4、pH微传感器测量（A）在不同的阴极电流幅值下，本体pH值与由放置在阴极室的本体入口点处的pH微传感器报告的pH值之间的偏差，相对于顶部固定的参比物测量pH信号。（B，C）在-50 mA下运行的电化学反应器内pH值随距离变化的曲线。相对于顶部固定的参比电极测量pH值，相对于底部固定的参比电极测量pH值两次。（B，黑色）和底部（B，黄色）参比电极用EP顶部校正（B，绿色）和底部（B，浅蓝色）参考曲线，以获得校正的pH曲线还用开孔测量pH曲线（C，蓝色）。在形成pH顶部参考曲线之后，立即将pH微传感器尖端放置在底部参考电极旁边，并记录7分钟（C，黄色十字）。当没有电流施加到系统时，在再循环pH和微传感器pH（图六A）。在施加电流的情况下，pH微传感器报告的pH值低于再循环pH值。这种偏移随着电流的增加而增加，呈半线性趋势。在-100 mA或更负的电流值下，pH微传感器甚至报告负pH值。因此，信号与施加电流的再循环pH值严重偏离。

图5、氧化还原电位的重复曲线在-200 mA下运行的电化学反应器内的距离上的氧化还原电位（ORP）。氧化还原电位是相对于顶部固定的参比电极测量的。氧化还原电位测量的原始数据是相对于顶部参比电极测量的。（A，黑色和灰色）使用EP顶部参考轮廓进行校正（A，绿色）以获得校正的ORP曲线（B，红色）。用开池电压测量ORP分布在不同的反应器（1和2）中进行两次重复测量，并且出于观察的目的仅示出了来自一个反应器（1）的阴极位置。


结论与展望


本研究开发了一种基于使用微传感器测量pH和H2的技术梯度在微生物电合成。使用三维电极（生物）电化学系统可能导致从本体条件到电极的梯度的出现。由于这些梯度（例如，关于pH和反应物/产物浓度）决定电极的性能，因此能够准确地测量它们是至关重要的。除了这些参数之外，还测定了电解液中和整个3D多孔电极中的局部氧化还原电位和电场电位。关键是认识到电场的存在干扰了通过电位型微传感器(unisense)获得的测量结果。为了克服对pH测量的干扰，验证了一种用电位微传感器测量系统（unisense）局部电场来校正信号的方法，该方法为电极设计、反应器工程、电活性生物膜梯度测量以及（生物）电化学系统三维多孔电极内部和周围的流体动力学研究提供了有用的工具。