新型燃料电池直接利用生物质发电

一种新型的太阳能诱导的直接生物质-电力混合燃料电池可以使用各种燃料，如粉状木材。燃料电池如右图所示，依赖于多金属氧酸盐（POM）催化剂（在小瓶中显示），该催化剂在与光反应时会改变颜色。

佐治亚理工学院的科学家们开发了一种新型的低温燃料电池，该燃料电池借助太阳能或热能活化的催化剂将生物质直接转化为电能。

尽管已经对由甲醇或氢气驱动的低温燃料电池进行了充分的研究，但是由于缺乏有效的聚合物材料催化剂体系，现有的低温燃料电池技术无法直接使用生物质作为燃料。

现在，佐治亚理工学院的研究人员开发了一种新型的低温燃料电池，该燃料电池借助太阳能或热能活化的催化剂将生物质直接转化为电能。混合燃料电池可以使用多种生物质资源，包括淀粉，纤维素，木质素-甚至柳枝,、木粉，藻类和家禽加工产生的废物。

该设备可用于小型单位，为发展中国家提供电力，也可用于大型设施，以在有大量生物质可用的情况下提供电力。

佐治亚理工学院教授邓玉林说：“我们已经开发出一种可以在室温下处理生物质的新方法，并且可以使用的生物质类型不受限制，该工艺几乎可以处理任何类型的生物质。”化学与生物分子工程学院和造纸科学与技术学院（IPST）。“这是一种非常通用的方法，可以利用多种生物质和有机废物来发电，而无需纯化起始原料。”

2014年2月7日，《自然通讯》杂志描述了这种新型的太阳能诱导的直接生物质发电混合燃料电池。

该示意图说明了太阳能诱导的直接生物质发电混合燃料电池的工作原理。（邓玉林提供）

邓指出，生物质燃料电池面临的挑战是生物质（一种天然聚合物）的碳-碳键不易被包括昂贵贵金属在内的传统催化剂轻易分解。为了克服这一挑战，科学家开发了微生物燃料电池，其中的微生物或酶分解了生物质。但是该过程有很多缺点：从此类细胞输出的功率有限，微生物或酶只能选择性地分解某些类型的生物质，并且微生物系统可能会因许多因素而失活。

邓小平和他的研究小组通过改变化学反应来允许外部能源激活燃料电池的氧化还原反应，从而克服了这些挑战。

在新系统中，将生物质磨碎并与溶液中的多金属氧酸盐（POM）催化剂混合，然后将其暴露在阳光或热的照射下。POM是一种光化学和热化学催化剂，既充当氧化剂又充当电荷载体。POM在光或热辐射下会氧化生物质，并将电荷从生物质传递到燃料电池的阳极。然后，电子被传输到阴极，在那里它们最终会通过外部电路被氧气氧化以产生电能。

“如果在室温下混合生物质和催化剂，它们将不会发生反应，”邓说。“但是当您将它们暴露在光或热下时，反应就会开始。POM引入了一个中间步骤，因为生物质不能被氧气直接访问。”

该系统具有主要优势，包括将光化学降解和光热生物质降解结合在一个化学过程中，从而实现高的太阳能转化率和有效的生物质降解。它还不使用昂贵的贵金属作为阳极催化剂，因为燃料氧化反应由溶液中的POM催化。最后，由于POM在化学上是稳定的，因此混合燃料电池可以使用未纯化的聚合物生物质，而不必担心中毒贵金属阳极。

该系统可以使用可溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料。在实验中，燃料电池运行长达20小时，表明POM催化剂无需进一步处理即可重复使用。

研究人员在他们的论文中报告说，最大功率密度为每平方厘米0.72毫瓦，这比纤维素基微生物燃料电池高近100倍，并且接近最佳微生物燃料电池的功率密度。邓认为，优化工艺可以使产量增加五到十倍。

他说：“我相信这种类型的燃料电池将来可能会产生与甲醇燃料电池类似的能量输出。”“要优化系统，我们需要更好地了解所涉及的化学过程以及如何改进它们。”

研究人员还需要将系统的运行与太阳能和其他形式的输入能量（例如来自其他过程的废热）进行比较。除了直接使用生物质作为燃料的能力之外，这种新型电池还具有可持续性方面的优势-与其他类型的燃料电池相比，成本可能更低。

邓说：“我们可以使用无化学污染的可持续材料。”太阳能和生物质是当今世界可利用的两种重要的可持续能源。我们的系统将一起使用它们来发电，同时减少对化石燃料的依赖。

除邓之外，研究团队还包括来自化学和生物分子工程学院或佐治亚理工学院造纸科学与技术学院的刘伟，魏木，刘梦洁，张晓丹和蔡宏丽。

出版物：Liu Wei等，“使用多金属氧酸盐作为光催化剂和电荷载体的太阳能诱导的直接生物质电混合燃料电池”，《自然通讯》第5期，文章编号：3208; doi：10.1038 / ncomms4208

图片：约翰·杜恩（John Toon）；邓玉林