Как преобразовать биомассу в энергию?

Низкотемпературные топливные элементы на метаноле и на водороде хорошо изучены. До сих пор они были не способны напрямую использовать биомассу в качестве топлива из-за отсутствия эффективной системы катализа для полимерных материалов…

Они разработали новый тип топливного элемента, который преобразует биомассу непосредственно в энергию с помощью катализатора, активируемого солнечным светом или теплом.

Новый низкотемпературный гибридный топливный элемент способен работать с широким спектром сырья, в том числе с крахмалом, целлюлозой, лигнином, деревянными опилками, растительными и пищевыми отходами. Устройство может быть использовано как в маломощных источниках энергии для обеспечения населения развивающихся стран, так и, при наличии достаточного количества биомассы, в составе крупных энергетических объектов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

«Мы разработали новый метод, который способен перерабатывать биомассу при комнатной температуре. При этом не ограничивается вид биомассы, которую можно использовать, возможна переработка почти любого типа биомассы, – рассказал профессор Юлин Дэн (Yulin Deng). – Это очень общий подход к использованию множества видов биомассы и органических отходов для производства электроэнергии без необходимости очистки исходных материалов».

Задача топливных элементов на биомассе состоит в расщеплении углеродсодержащих цепочек природных полимеров. К сожалению, её трудно решить, используя обычные катализаторы, в том числе и содержащие драгоценные металлы.

Для решения проблемы учёные пытаются использовать микробные топливные элементы, в которых биомассу расщепляют микробы и ферменты. Но и этот процесс не лишён недостатков. Мощность таких элементов ограничена, микробы и ферменты перерабатывают лишь определённые виды биомассы, в целом микробная система зависит от многих факторов.

Юлин Дэн и его команда получили устойчивые результаты, введя в систему для активации окислительно-восстановительных реакций топливного элемента внешний источник энергии. В новом устройстве биомассу измельчают и смешивают с раствором катализатора полиоксометаллата, после чего воздействуют на смесь теплом или светом. Катализатор работает одновременно в качестве окислителя и носителя заряда, он окисляет биомассу и доставляет заряды к аноду топливного элемента.

Система обладает значительными преимуществами, среди которых объединение в одном процессе фотохимического и светотеплового расщепления биомассы, что приводит к высокой эффективности в целом. В топливных элементах не используются драгоценные металлы, процесс протекает стабильно и не предъявляет высоких требований к качеству сырья.

Система может использовать растворы и взвеси биомассы или органических материалов. В лабораторных экспериментах топливные элементы работали непрерывно на протяжении 20 часов, после чего катализатор можно было использовать повторно без дополнительной обработки.

В опубликованной работе исследователи сообщили о максимальной плотности мощности 0,72 мВт/кв.см, что почти в 100 раз больше, чем способны демонстрировать лучшие микробные элементы. Однако Дэн утверждает, что мощность можно увеличить ещё в 5-10 раз, оптимизировав процесс.