摘要
由于化石能源的消耗已经引发了严重的生态环境问题，因此我们迫切需要开发清洁可再生能源，以实现产业向绿色和低碳方向转型，解决经济、资源和环境之间的矛盾，并为实现“碳达峰、碳中和”助力。开发清洁高效的生物质发电技术是符合绿色经济发展的趋势。作为生物质的三大主要组成部分之一，木质素储量大、可再生且成本低。但目前大部分工业木质素以焚烧或直接排放处理，导致大量二氧化碳的排放，这与我国实现“双碳”目标背道而驰。燃料电池系统是一种清洁高效的能量转化技术，可用于将木质素转化为电能。然而，目前研究的燃料电池多存在工作温度高、能源利用率低、功率密度低等问题，难以实现木质素直接向电能高效转换。相比而言，氧化还原类生物质燃料电池可以在较低温下直接将木质纤维素类生物质高效转化为电能。目前已报道的生物质燃料电池所使用的大多数阳极氧化剂降解木质素的效率低，导致电子传输率低。另外，该类型电池所用的石墨毡电极材料存在浸润性差、比表面积小、电催化活性低等缺点，通常限制了生物质燃料电池的功率密度，导致电池输出性能差，从而难以满足实际的需求。 本研究基于工业木质素高值化利用难以及木质素燃料电池功率密度低的缺点，依据木质素的结构特点，采用绿色廉价、溶解度高的活性物质作为阳极氧化剂和电子载体，氧化降解工业木质素的同时联产电能，构建低温高效木质素燃料电池并探究电池性能。另外，对阳极电极材料进行改性，提高电极材料的电催化活性，并用于木质素燃料电池构建新型高效阳极电子传递链，探究其对电池性能的影响。其主要内容如下： （1）目前研究的木质素燃料电池大多是基于阳极液中单一的氧化还原活性物质，其能量密度和电子转移速率有限，导致许多工业木质素不能快速有效地发电。针对该问题，我们设计了TiOSO4介导的CuCl2/TiOSO4双催化氧化体系，构建一种新型高效电子传递链，开发出TiOSO4介导的低温木质素燃料电池。密度泛函理论(DFT)模拟和实验结果表明，TiO2+/Ti3+氧化还原电对作为中间媒介构建的高效电子传递链，大大增强了石墨毡电极(GF)从CuCl2/TiOSO4基阳极液中获取电子的能力，增强了阳极液与GF电极之间的电子传递速率，从而提高了CuCl2/TiOSO4基木质素燃料电池的性能。以木质素磺酸钠为燃料时，电池最大功率密度达到55.1mW/cm2，并且可以在1.3A/cm2高电流密度下，持续稳定放电1h以上。1g木质素磺酸钠可产生至少116.24mWh的电能。 （2）为进一步提升木质素燃料电池输出性能，我们采用高溶解性、良好可逆性的三碘化钾为阳极氧化剂和电子载体，并构建基于I3-/I--VO2+/VO2+阳极和阴极活性物质的木质素燃料电池，探究了阳极电解液制备条件对碘体系木质素燃料电池输出性能的影响，优化出最适宜的制备条件，并对其降解产物进行测试分析。结果表明，KI3基木质素燃料电池具有较好的性能输出，以碱木质素为燃料时，该电池开路电压可达0.86V、最大电流密度可达1358.6mA/cm2、最大功率密度可达200mW/cm2。在0.4V的恒定电压下，电池系统可以在0.9A/cm2的电流密度下对外持续稳定放电3个小时。同时可以成功点亮1.5~3V的LED电子屏。此外，该电池系统具有普适性，可氧化降解多种木质素同时输出较高的电池性能。 （3）目前，木质素燃料电池的典型电极材料为石墨毡(GF)。然而，由于原始石墨毡电极存在浸润性差、比表面积小、电催化活性低等缺点，导致GF上的电化学反应动力学较差，限制了木质素燃料电池的能量效率和功率密度，成为木质素燃料电池实际应用的主要障碍。针对该问题，本研究通过一步水热法在石墨毡上原位合成高活性CoS2/CoS异质结纳米催化剂，提高了电极材料的亲水性、带电离子的吸附性、离子扩散特性以及电荷传递速率等。采用GF-CoS2/CoS作为阳极电极材料的KI3基木质素燃料电池，其功率密度高达400mW/cm2，最大功率密度提升两倍。并且，该电池在1.2A/cm2的高电流密度下可持续稳定放电6个小时以上，能够较好地对外部负载供电。
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