太阳能诱导的混合燃料电池

图片：太阳能诱导的直接使用生物质发电的混合燃料电池。这种燃料电池依赖于POM催化剂（小瓶中所示），当与光发生反应，它改变了颜色。

虽然由甲醇或氢供电的低温燃料电池已经被广泛研究，但由于缺少对聚合物材料的有效催化系统，现有的低温燃料电池技术不能直接使用生物质作为一种燃料。近日，美国佐治亚理工学院的科学家研制出一种新型低温燃料电池，在催化剂帮助下通过激活太阳能或热能，可以将生物质直接转化为电能。该项研究成果已发表于Nature Communications杂志上。

这种混合动力燃料电池可以使用各种生物质原料，包括淀粉，纤维素，木质素，甚至柳枝稷，粉状木材，微藻和家禽加工废弃物。该设备可在发展中国家为小规模单位提供电力，并在生物质数量丰富的地区为大型设施提供电力。

研究人员介绍，他们开发的这种新方法可以在室温下处理生物质，并且生物质的类型不受限制。这是一种非常通用的方法，可以利用各种生物质和有机废弃物发电，而且不需要对原料进行纯化。生产生物质燃料电池的挑战是，生物质中的碳-碳键不能被常规的催化剂，包括贵金属分解。为了解决这一问题，科学家们已经开发出了微生物燃料电池，其中的微生物或酶可以分解生物质。但是该方法存在许多缺点，从这种电池中输出的功率是有限的，微生物或酶只能选择性地分解特定类型生物质，而且生物系统在很多因素下会失效。佐治亚理工学院的科学家通过改变其化学反应，允许外部能源激活燃料电池的氧化-还原反应来解决了这些问题。

在这个新系统中，生物质被碾碎，并与多金属氧酸盐（POM）催化剂溶液混合在一起，然后暴露在太阳光下或进行加热。作为一种光化学和热化学催化剂，POM既可用作氧化剂又可作为电荷载体。POM在光和热辐射下氧化生物质，并将电荷从生物质运送到燃料电池的阳极。这些电子随后被输送到阴极，并最终通过外部电路被氧化产生电。

研究人员解释，如果在室温下混合生物质和催化剂，它们是没有反应的。但是将它们暴露在光或热下，反应开始了。POM引入了一个中间步骤，因为生物质不能直接接触到氧。该系统具有很多优点，它结合光化学和太阳能热降解生物质在一个单一的化学过程，并引导了高太阳能转化和有效生物质降解。这个过程中没有使贵金属作为阳极催化剂，因为燃料的氧化反应是由POM溶液催化的。最后，由于POM是化学稳定的，混合燃料电池可以使用未纯化的聚合生物质而不用担心贵金属阳极中毒。该系统可以使用水溶性生物质，或有机材料悬浮在液体中。在实验中，燃料电池运行了长达20小时，这表明POM催化剂不需要进一步处理就可以重复利用。

在论文中，研究人员报告其最大功率密度为每平方厘米0.72毫瓦，这比基于纤维素的微生物燃料电池高近100倍。科学家们认为当这一过程优化后，其输出量还可以提高五到十倍。