新型燃料电池直接利用生物质发电

一种新型的太阳能直接生物质发电混合燃料电池，可以使用粉木等燃料。燃料电池（如右图所示）依赖于多金属氧酸盐 (POM) 催化剂（如样品瓶中所示），当它与光反应时会改变颜色。

佐治亚理工学院的科学家开发出一种新型低温燃料电池，它利用太阳能或热活化催化剂将生物质直接转化为电能。

虽然已经对甲醇或氢气驱动的低温燃料电池进行了充分的研究，但现有的低温燃料电池技术由于缺乏有效的高分子材料催化剂体系，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出一种新型低温燃料电池，可借助太阳能或热能激活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、木粉、藻类和家禽加工废物。

该设备可用于小机组向发展中国家供电，也可用于大型设施在有大量生物质能时提供电力。

“我们开发了一种可以在室温下处理生物质的新方法，可以使用的生物质类型不受限制。这个过程几乎可以处理任何类型的生物质，”佐治亚理工学院教授邓玉林说。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，可以使用各种生物质和有机废物来发电，而无需净化起始材料。”

2014 年 2 月 7 日，Nature Communications 杂志描述了这一新一种太阳能直接生物质发电混合燃料电池。

这张示意图说明了太阳能直接生物质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的贵金属在内的常??规催化剂分解。为了克服这一挑战，科学家们开发了微生物燃料电池，其中微生物或酶分解生物质。然而，该过程有许多缺点：此类细胞输出的能量有限，微生物或酶只能选择性地分解某些类型的生物质，微生物系统可能因多种因素而失活。

邓和他的研究团队通过改变化学反应让外部能量激活燃料电池的氧化还原反应来应对这些挑战。

在新系统中，生物质被研磨并在溶液中与多金属氧酸盐 (POM) 催化剂混合，然后暴露在阳光或热量下。 POM 是一种光化学和热化学催化剂，既是氧化剂又是电荷载体。 POM 将在光或热辐射下氧化生物质，并将电荷从生物质转移到燃料电池的阳极。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发电。

“如果生物质和催化剂在室温下混合，它们不会发生反应，”邓说。 “但是当你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，因为氧气不能直接接触生物质。”

该系统具有主要优势，包括结合光化学降解和光热通过化学过程降解生物质，从而实现太阳能的高转化率和有效的生物质降解。它也不使用昂贵的贵金属作为阳极催化剂，因为燃料氧化反应是由溶液中的 POM 催化的。最后，由于 POM 具有化学稳定性，混合燃料电池可以使用未纯化的聚合物生物质，而不必担心贵金属阳极中毒。

该系统可以使用悬浮在液体中的可溶性生物质或有机材料。实验中，燃料电池工作时间长达20小时，表明POM催化剂无需进一步处理即可重复使用。

研究人员在论文中报告，最大功率密度为每平方厘米 0.72 毫瓦，比纤维素基微生物燃料电池的功率密度高近 100 倍，接近最佳微生物燃料的功率细胞。密度。邓认为，优化流程可以将产量提高五到十倍。

他说：“我相信这种类型的燃料电池未来可能会产生与甲醇燃料电池类似的能量输出。” “为了优化系统，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（例如作为来自其他过程的废热）。除了能够直接使用生物质作为燃料外，新电池还具有可持续性的优势——相比其他类型的燃料电池，成本可能更低。

邓说：“我们可以使用没有化学污染的可持续材料。”太阳能和生物质能是当今世界上两种重要的可持续能源。我们的系统将结合使用它们来发电，同时减少对化石燃料的依赖。 ”

除了邓之外，研究团队还包括佐治亚大学化学与生物分子工程学院或造纸科学与技术学院的刘伟、魏牧、刘梦杰、张晓丹和蔡红利理工学院。

文章来源：《造纸科学与技术》 网址: http://www.zzkxyjs.cn/zonghexinwen/2021/0821/714.html