美國科學(xué)家開發(fā)出一種直接以生物質(zhì)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(jī)肥料轉(zhuǎn)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(guān)論文已發(fā)表在《自然》雜志子刊《自然通訊》上。
盡管以甲醇或氫驅(qū)動的低溫燃料電池技術(shù)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(shù)一直無法直接使用生物質(zhì)作為燃料。新研究中，美國佐治亞理工學(xué)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(zhì)轉(zhuǎn)化為電能。
這種技術(shù)，在室溫下就能對生物質(zhì)進(jìn)行處理，對原材料的要求極低，幾乎適用于所有生物質(zhì)，如淀粉、纖維素、木質(zhì)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(zhì)或懸浮在液體中的有機(jī)材料也沒有問題。該設(shè)備既可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)以家庭為單位小規(guī)模使用，也可以在生物質(zhì)原料豐富的城市大規(guī)模使用。
生物質(zhì)燃料電池的研究面臨的難題是，具有碳—碳鏈的生物質(zhì)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(gè)問題，科學(xué)家研制出微生物燃料電池，利用微生物和酶來分解生物質(zhì)。但這種方法的缺點(diǎn)是：微生物和酶只能選擇性地分解某些特定類型的生物質(zhì)，對原料的純度要求較高。
負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究的佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)教授鄧玉林（音譯）和他的團(tuán)隊(duì)通過引入外界能量來源來激活燃料電池的氧化還原反應(yīng)。在新系統(tǒng)中，生物質(zhì)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(xué)和熱化學(xué)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(zhì)發(fā)生氧化，將生物質(zhì)的電荷運(yùn)送到燃料電池的陽極，而電子則會被輸送到陰極，在陰極進(jìn)行氧化反應(yīng)，通過外電路產(chǎn)生電流。鄧玉林表示，如果只是在室溫中將生物質(zhì)和催化劑混合，它們將不會發(fā)生反應(yīng)。但一旦將其暴露在光或熱中，反應(yīng)就會馬上開始。
實(shí)驗(yàn)顯示，這種燃料電池的運(yùn)行時(shí)間長達(dá)20小時(shí)，這表明POM催化劑能夠再利用而無需進(jìn)一步的處理。研究人員報(bào)告稱，這種燃料電池的zui大能量密度可達(dá)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zui高的微生物燃料電池。鄧玉林認(rèn)為，在對處理過程進(jìn)行優(yōu)化后應(yīng)該還有5倍到10倍的提升空間，未來這種生物質(zhì)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(shù)一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是，它能夠在一個(gè)單一的化學(xué)過程中完成生物降解和發(fā)電。太陽能和生物質(zhì)能源是當(dāng)今世界重要的兩種綠色能源，我們的系統(tǒng)將它們結(jié)合在一起產(chǎn)生電力，同時(shí)也減少了對化石燃料的依賴。”