燃料電池可通過(guò)生物質(zhì)直接產(chǎn)生電？

雖然由甲醇或氫供電的低溫燃料電池已經(jīng)被廣泛研究，但由于缺少對(duì)聚合物材料的有效催化系統(tǒng)，現(xiàn)有的低溫燃料電池技術(shù)不能直接使用生物質(zhì)作為一種燃料。近日，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家研制出一種新型低溫燃料電池，在催化劑幫助下通過(guò)激活太陽(yáng)能或熱能，可以將生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為電能。

圖片：太陽(yáng)能誘導(dǎo)的直接使用生物質(zhì)發(fā)電的混合燃料電池。這種燃料電池依賴(lài)于POM催化劑(小瓶中所示)，當(dāng)與光發(fā)生反應(yīng)，它改變了顏色。

這種混合動(dòng)力燃料電池可以使用各種生物質(zhì)原料，包括淀粉，纖維素，木質(zhì)素，甚至柳枝稷，粉狀木材，微藻和家禽加工廢棄物。該設(shè)備可在發(fā)展中國(guó)家為小規(guī)模單位提供電力，并在生物質(zhì)數(shù)量豐富的地區(qū)為大型設(shè)施提供電力。

研究人員介紹，他們開(kāi)發(fā)的這種新方法可以在室溫下處理生物質(zhì)，并且生物質(zhì)的類(lèi)型不受限制。這是一種非常通用的方法，可以利用各種生物質(zhì)和有機(jī)廢棄物發(fā)電，而且不需要對(duì)原料進(jìn)行純化。生產(chǎn)生物質(zhì)燃料電池的挑戰(zhàn)是，生物質(zhì)中的碳-碳鍵不能被常規(guī)的催化劑，包括貴金屬分解。為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了微生物燃料電池，其中的微生物或酶可以分解生物質(zhì)。但是該方法存在許多缺點(diǎn)，從這種電池中輸出的功率是有限的，微生物或酶只能選擇性地分解特定類(lèi)型生物質(zhì)，而且生物系統(tǒng)在很多因素下會(huì)失效。佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家通過(guò)改變其化學(xué)反應(yīng)，允許外部能源激活燃料電池的氧化-還原反應(yīng)來(lái)解決了這些問(wèn)題。

在這個(gè)新系統(tǒng)中，生物質(zhì)被碾碎，并與多金屬氧酸鹽(POM)催化劑溶液混合在一起，然后暴露在太陽(yáng)光下或進(jìn)行加熱。作為一種光化學(xué)和熱化學(xué)催化劑，POM既可用作氧化劑又可作為電荷載體。POM在光和熱輻射下氧化生物質(zhì)，并將電荷從生物質(zhì)運(yùn)送到燃料電池的陽(yáng)極。這些電子隨后被輸送到陰極，并最終通過(guò)外部電路被氧化產(chǎn)生電。

研究人員解釋?zhuān)绻谑覝叵禄旌仙镔|(zhì)和催化劑，它們是沒(méi)有反應(yīng)的。但是將它們暴露在光或熱下，反應(yīng)開(kāi)始了。POM引入了一個(gè)中間步驟，因?yàn)樯镔|(zhì)不能直接接觸到氧。該系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，它結(jié)合光化學(xué)和太陽(yáng)能熱降解生物質(zhì)在一個(gè)單一的化學(xué)過(guò)程，并引導(dǎo)了高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化和有效生物質(zhì)降解。這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有使貴金屬作為陽(yáng)極催化劑，因?yàn)槿剂系难趸磻?yīng)是由POM溶液催化的。最后，由于POM是化學(xué)穩(wěn)定的，混合燃料電池可以使用未純化的聚合生物質(zhì)而不用擔(dān)心貴金屬陽(yáng)極中毒。該系統(tǒng)可以使用水溶性生物質(zhì)，或有機(jī)材料懸浮在液體中。在實(shí)驗(yàn)中，燃料電池運(yùn)行了長(zhǎng)達(dá)20小時(shí)，這表明POM催化劑不需要進(jìn)一步處理就可以重復(fù)利用。

在論文中，研究人員報(bào)告其最大功率密度為每平方厘米0.72毫瓦，這比基于纖維素的微生物燃料電池高近100倍?？茖W(xué)家們認(rèn)為當(dāng)這一過(guò)程優(yōu)化后，其輸出量還可以提高五到十倍。