基于FeCl3/TiO2协同介体的太阳能驱动电子传递链构建及其高效转化木质素产电研究

针对木质素高值化利用难题，广东工业大学团队创新性地设计了一种基于FeCl3/TiO2协同介体的太阳能驱动生物质流动燃料电池（BFFC）。该研究通过构建新型电子传递链，在室温光照条件下实现木质素高效降解与电能转化（功率密度达64.4 mW/cm2），为解决生物质能源转化过程中的能耗高、副反应多等问题提供了绿色解决方案。

　　

在能源危机与环境污染的双重压力下，如何将每年超5000万吨的工业木质素"变废为宝"成为科学界难题。传统生物质能源技术面临两难困境：高温处理易引发木质素聚缩反应，而微生物燃料电池(MFCs)又存在功率密度低(<0.1 mW/cm²)的瓶颈。更棘手的是，现有生物质流动燃料电池(BFFCs)依赖复杂制备的聚氧金属酸盐(POM)介体，需100°C预处理5小时以上，这与绿色化学理念背道而驰。

广东工业大学的研究团队独辟蹊径，将光催化技术与BFFCs结合，开发出基于FeCl₃/TiO₂协同介体的新型太阳能驱动系统。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，通过构建"光催化-电化学"双活化电子传递链，在室温光照下实现木质素高效转化，功率密度突破64.4 mW/cm²，成功点亮LED灯。

研究团队采用三大关键技术：1）通过紫外-可见光谱和电化学阻抗谱验证Fe³⁺对TiO₂光吸收范围及电子-空穴分离效率的增强作用；2）利用电子顺磁共振(EPR)捕获·OH自由基，阐明木质素降解机制；3）采用俄罗斯产工业级木质素磺酸钠(SL)为原料，结合VO₂⁺/VO²⁺阴极电解液构建完整电池系统。

材料与方法
研究选用G型木质素单元为主的SL作为模型化合物，通过对比FeCl₃、Fe₂(SO₄)₃等不同铁源与TiO₂的协同效应，优化出最佳介体比例。X射线衍射(XRD)证实锐钛矿型TiO₂的晶型结构，瞬态光电流测试显示Fe³⁺使载流子分离效率提升3.2倍。

性能分析
在模拟太阳光下，FeCl₃/TiO₂系统展现双重优势：一方面Fe³⁺作为电子受体加速TiO₂的e^--h⁺分离（τ=10^-9s），另一方面生成的·OH能在30分钟内降解80%木质素。电化学测试显示，该BFFC的开路电压达0.78V，显著高于单一介体系统。

结论与意义
该研究开创性地将光催化与BFFCs耦合，通过Fe³⁺/TiO₂协同作用实现三大突破：1）打破传统热解工艺桎梏，室温操作节能90%以上；2）抑制木质素聚缩副反应，电子转移效率提升46%；3）为G型木质素单元的高值化利用提供普适性方案。这种"以光代热"的策略，为开发下一代生物质能源转换技术树立了新范式。