日前，美國科學家開發(fā)出一種直接以生物質為原料的低溫燃料電池。這種燃料電池只需借助太陽能或廢熱就能將稻草、鋸末、藻類甚至有機肥料轉化為電能，能量密度比基于纖維素的微生物燃料電池高出近100倍。相關論文已在線發(fā)表在《自然-通訊》雜志上。

借助太陽能或廢熱就能將稻草、藻類等轉化為電能

盡管以甲醇或氫驅動的低溫燃料電池技術得到長足發(fā)展，但由于聚合材料缺乏有效的催化系統(tǒng)，低溫燃料電池技術一直無法直接使用生物質作為燃料。新研究中，美國佐治亞理工學院的研究人員開發(fā)出的這種新型低溫燃料電池，能夠借助太陽能或熱能激活一種催化劑，直接將多種生物質轉化為電能。

這種技術，在室溫下就能對生物質進行處理，對原材料的要求極低，幾乎適用于所有生物質，如淀粉、纖維素、木質素，甚至柳枝稷、鋸末、藻類以及禽類加工的廢料都能被用來發(fā)電。如果缺乏上述原料，水溶性生物質或懸浮在液體中的有機材料也沒有問題。該設備既可以在偏遠地區(qū)以家庭為單位小規(guī)模使用，也可以在生物質原料豐富的城市大規(guī)模使用。

生物質燃料電池的研究面臨的難題是，具有碳—碳鏈的生物質不易通過常規(guī)的催化劑，哪怕是昂貴的貴重金屬催化劑分解。為了解決這個問題，科學家研制出微生物燃料電池，利用微生物和酶來分解生物質。但這種方法的缺點是：微生物和酶只能選擇性地分解某些特定類型的生物質，對原料的純度要求較高。

負責此項研究的佐治亞理工學院化學與生物分子工程學教授鄧玉林（音譯）和他的團隊通過引入外界能量來源來激活燃料電池的氧化還原反應。在新系統(tǒng)中，生物質原料被磨碎后與一種多金屬氧酸鹽（POM）催化物溶液相混合，之后被置于陽光或熱輻射下。作為一種光化學和熱化學催化劑，POM既是氧化劑也是電荷載體。在光輻射或熱輻射下，POM會使生物質發(fā)生氧化，將生物質的電荷運送到燃料電池的陽極，而電子則會被輸送到陰極，在陰極進行氧化反應，通過外電路產生電流。鄧玉林表示，如果只是在室溫中將生物質和催化劑混合，它們將不會發(fā)生反應。但一旦將其暴露在光或熱中，反應就會馬上開始。

實驗顯示，這種燃料電池的運行時間長達20小時，這表明POM催化劑能夠再利用而無需進一步的處理。研究人員報告稱，這種燃料電池的最大能量密度可達每平方厘米0.72毫瓦，比基于纖維素的微生物燃料電池高出近100倍，接近目前效能最高的微生物燃料電池。鄧玉林認為，在對處理過程進行優(yōu)化后應該還有5倍到10倍的提升空間，未來這種生物質燃料電池的性能甚至有望媲美甲醇燃料電池。

鄧玉林說：新技術一個重要的優(yōu)點就是，它能夠在一個單一的化學過程中完成生物降解和發(fā)電。太陽能和生物質能源是當今世界重要的兩種綠色能源，我們的系統(tǒng)將它們結合在一起產生電力，同時也減少了對化石燃料的依賴。