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生物质燃料低温电池将减少化石燃料依赖

导读: 日前,美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能,能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。

  日前,美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能,能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。相关论文已在线发表在《自然-通讯》杂志上。

  借助太阳能或废热就能将稻草、藻类等转化为电能

  尽管以甲醇或氢驱动的低温燃料电池技术得到长足发展,但由于聚合材料缺乏有效的催化系统,低温燃料电池技术一直无法直接使用生物质作为燃料。新研究中,美国佐治亚理工学院的研究人员开发出的这种新型低温燃料电池,能够借助太阳能或热能激活一种催化剂,直接将多种生物质转化为电能。

  这种技术,在室温下就能对生物质进行处理,对原材料的要求极低,几乎适用于所有生物质,如淀粉、纤维素、木质素,甚至柳枝稷、锯末、藻类以及禽类加工的废料都能被用来发电。如果缺乏上述原料,水溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料也没有问题。该设备既可以在偏远地区以家庭为单位小规模使用,也可以在生物质原料丰富的城市大规模使用。

  生物质燃料电池的研究面临的难题是,具有碳—碳链的生物质不易通过常规的催化剂,哪怕是昂贵的贵重金属催化剂分解。为了解决这个问题,科学家研制出微生物燃料电池,利用微生物和酶来分解生物质。但这种方法的缺点是:微生物和酶只能选择性地分解某些特定类型的生物质,对原料的纯度要求较高。

  负责此项研究的佐治亚理工学院化学与生物分子工程学教授邓玉林(音译)和他的团队通过引入外界能量来源来激活燃料电池的氧化还原反应。在新系统中,生物质原料被磨碎后与一种多金属氧酸盐(POM)催化物溶液相混合,之后被置于阳光或热辐射下。作为一种光化学和热化学催化剂,POM既是氧化剂也是电荷载体。在光辐射或热辐射下,POM会使生物质发生氧化,将生物质的电荷运送到燃料电池的阳极,而电子则会被输送到阴极,在阴极进行氧化反应,通过外电路产生电流。邓玉林表示,如果只是在室温中将生物质和催化剂混合,它们将不会发生反应。但一旦将其暴露在光或热中,反应就会马上开始。

  实验显示,这种燃料电池的运行时间长达20小时,这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理。研究人员报告称,这种燃料电池的最大能量密度可达每平方厘米0.72毫瓦,比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍,接近目前效能最高的微生物燃料电池。邓玉林认为,在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间,未来这种生物质燃料电池的性能甚至有望媲美甲醇燃料电池。

  邓玉林说:“新技术一个重要的优点就是,它能够在一个单一的化学过程中完成生物降解和发电。太阳能和生物质能源是当今世界重要的两种绿色能源,我们的系统将它们结合在一起产生电力,同时也减少了对化石燃料的依赖。”

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