基于红豆壳生物质的高性能直接碳固体氧化物燃料电池研究

为解决传统化石燃料能源短缺和环境污染问题，研究人员开展了以红豆壳生物质及其衍生生物炭为燃料的直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFCs)研究。采用Ag-Gd0.2Ce0.8O2-δ/La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)对称电极-电解质体系，在850℃下实现719 mW cm?2的峰值功率密度，证明了生物质燃料在高效清洁能源转换中的潜力。

　　

随着全球能源危机和环境问题日益严峻，寻找清洁高效的可再生能源技术成为当务之急。传统化石燃料不仅储量有限，其燃烧过程还排放大量温室气体和污染物。尽管生物质能源因其碳中和特性备受关注，但现有生物质燃料电池普遍存在碳含量低、杂质多、性能不佳等瓶颈。如何通过材料设计和工艺优化提升生物质燃料的能源转化效率，成为能源领域的关键科学问题。

针对这一挑战，昆明理工大学的研究团队在《Fuel》期刊发表了一项创新研究，他们选择中国云南特色资源红豆壳（Red Bean Shell, RBS）作为研究对象，开发出高性能直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFCs）。这项研究首次实现了生物质直接作为燃料时619 mW cm^?2的优异性能，而其衍生生物炭更达到719 mW cm^?2的峰值功率密度，刷新了电解质支撑型生物质燃料电池的性能纪录。

研究团队采用多尺度表征与电化学测试相结合的方法：通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析燃料的晶体结构与碳有序度；利用扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）观察微观形貌与元素分布；采用氮气吸附-脱附测试（BET）测定比表面积和孔径分布；结合热重分析（TGA）研究燃料热分解行为；最后通过四电极法测试电池的电流-电压特性（I-V）和电化学阻抗谱（EIS）。所有实验均以LSGM为电解质，Ag-GDC为对称电极，在700-850℃温度区间进行系统评估。

3.1 电池微观形貌
扫描电镜显示LSGM电解质致密无缺陷（厚度340 μm），与18 μm厚的Ag-GDC多孔电极结合良好，界面无裂纹。这种结构有利于氧离子传导和气体扩散，为高性能奠定基础。

3.2 燃料特性
红豆壳生物炭经800℃热解后形成丰富介孔结构，比表面积达99.98 m² g^?1，是原料的17.7倍。EDS和ICP-OES证实生物炭富含钾（K）、钙（Ca）等天然催化剂，其I_D/I_G比值（1.66）高于活性炭（1.22），表明更高缺陷密度有利于电化学反应。

3.3 电化学性能
在850℃下，生物炭燃料电池的开路电压（OCV）达1.08 V，峰值功率密度719 mW cm^?2，极化电阻仅0.09 Ω cm²。即使直接使用原始生物质，性能仍达619 mW cm^?2。对比实验显示，钾负载量增至8 wt%可使活性炭燃料电池性能提升87%，但会缩短放电时长。

这项研究通过揭示红豆壳生物质中天然金属元素的催化机制，解决了生物质燃料反应活性不足的核心问题。其创新性体现在三方面：一是首次验证红豆壳生物质直接用作燃料的可行性；二是创下生物质DC-SOFCs的性能新高；三是为农林废弃物高值化利用提供了新思路。该技术有望发展成"零碳排放直接生物质燃料电池"，对推动可再生能源转型具有重要意义。