《自然通讯》：直接利用生物质发电的新型混合燃料电池

生物通报道：虽然以甲醇或氢为发电原料的低温燃料电池已经得到充分的研究，但由于聚合物材料缺乏有效的催化剂体系，现有的低温燃料电池技术并不能直接利用生物质（biomass）作为燃料。

目前，美国乔治亚理工学院的研究人员开发出一种新型低温燃料电池，借助于太阳能或热能激活的催化剂，能够直接将生物质能转换为电能。这种混合燃料电池可以使用各种各样的生物质能资源，包括淀粉、纤维素、木质素——甚至柳枝稷（美国本土的一种多年生植物，生命力极其顽强，可用于提炼乙醇燃料）、木粉、藻类和家禽加工中产生的废物。该装置可用于小型单位，为发展中国家以及较大的设施提供电力，这些地方有大量可用的生物质资源。

乔治亚理工学院化学和生物分子工程学院、造纸科学与技术研究院（IPST）的Yulin Deng教授称：“我们开发的这种新方法，能在室温下处理生物质，可利用的生物质类型不受限制——该过程可以处理几乎所有类型的生物质。这是一种非常通用的方法，能够使用多种生物质和有机废物来发电，而无需净化起始材料。”这项研究结果发表在2014年2月份的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

Deng教授指出，生物质能燃料电池所面临的挑战是，生物质的碳-碳键（一种天然聚合物）不容易通过传统催化剂（包括昂贵的贵重金属）进行分解。为了克服这一挑战，科学家们曾经开发出微生物燃料电池，在这种电池中，微生物或酶能够分解生物质。但是这一过程具有许多缺点：这种电池的电源输出有限，微生物或酶只能选择性地分解某些类型的生物质，很多因素都可以使微生物系统失效。

Deng及其研究小组，通过改变化学，可让一种外部能源激活燃料电池的氧化-还原反应，从而克服了这些挑战。

在新的系统中，生物质被碾碎并与一种多金属氧酸盐（POM）催化剂在溶液中混合，然后暴露于太阳光或高温条件下。作为一种光化学和热化学催化剂，POM既是一种氧化剂，又是一种电荷载体。POM能够使生物质在光或热的辐照下发生氧化，并将电荷从生物质传递到燃料电池的阳极。然后，电子被输送至阴极，在那里它们最终通过氧发生氧化，穿过外电路产生电能。

Deng教授称：“如果你把生物质和催化剂在常温条件下混合，它们不会发生反应。但是，当你将它们暴露在光或高温时，就开始发生反应。POM引入了一个中间步骤，因为氧气不能直接接近生物质。”

该系统提供了主要优势，包括在一个单一化学过程中将光化学和太阳热能生物质降解结合起来，引起太阳能高效转换和有效的生物质降解。它也不使用昂贵的贵金属作为阳极催化剂，因为燃料氧化反应是由溶液中的POM催化。最后，由于POM的化学性质稳定，这种混合燃料电池可以用未纯化的聚合体生物质，而无需担心有毒的贵金属阳极。

该系统可以使用水溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料。在实验中，燃料电池的工作时间长达20个小时，表明POM催化剂能够被重复使用而无需进一步处理。

在这篇研究论文中，研究人员报道了每平方厘米0.72毫瓦的最大功率密度，这比以纤维素为原料的微生物燃料电池高接近100倍，接近于最好的微生物燃料电池的功率密度。Deng认为，当过程优化后，电能产量可提高五到十倍。

他表示：“这种类型的燃料电池，在未来可以有类似于甲醇燃料电池的能量输出。为了优化这个系统，我们需要对这个化学过程及如何提高它们，有一个更好的理解。”

研究人员还需要将系统的操作与太阳能和和其它形式的输入能量进行比较，例如来自其他过程的废弃热。除了直接使用生物质作为燃料，新的电池还具有可持续性——具有比其它燃料电池更低的成本。

Deng指出：“我们可以使用无任何化学污染的可持续材料。太阳能和生物质是当今世界两种重要的可持续能源。我们的系统会利用它们来产生电能，同时减少对化石燃料的依赖。”

除了Deng教授，该研究小组还包括Wei Liu、Wei Mu、Mengjie Liu、Xiaodan Zhang和Hongli Cai，他们都来自乔治亚理工学院化学和生物分子工程学院或造纸科学与生物技术研究院，同时Wei Liu也来自中国湖南大学化学计量学和化学生物传感技术重点实验室。

继这项研究结果之后，又有研究人员在生物燃料电池方面取得了最新进展：科学家研发新型生物燃料电池原型 高效率近乎100% （生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Solar-induced direct biomass-to-electricity hybrid fuel cell using polyoxometalates as photocatalyst and charge carrier
Abstract: The current polymer-exchange membrane fuel cell technology cannot directly use biomass as fuel. Here we present a solar-induced hybrid fuel cell that is directly powered with natural polymeric biomasses, such as starch, cellulose, lignin, and even switchgrass and wood powders. The fuel cell uses polyoxometalates as the photocatalyst and charge carrier to generate electricity at low temperature. This solar-induced hybrid fuel cell combines some features of solar cells, fuel cells and redox flow batteries. The power density of the solar-induced hybrid fuel cell powered by cellulose reaches 0.72 mW cm−2, which is almost 100 times higher than cellulose-based microbial fuel cells and is close to that of the best microbial fuel cells reported in literature. Unlike most cell technologies that are sensitive to impurities, the cell reported in this study is inert to most organic and inorganic contaminants present in the fuels.