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研究作者与机构

该研究由Emmanuel Yakubu、Alexander I. Ikeuba、Chigoziri N. Njoku和Olakekan D. Adeniyi共同完成。作者分别来自尼日利亚的联邦理工大学（Federal University of Technology, Owerri）、卡拉巴尔大学（University of Calabar）和明纳联邦理工大学（Federal University of Technology, Minna）。该研究发表于期刊《Sustainable Chemistry One World》，发表日期为2025年。

学术背景

该研究的主要科学领域是能源与环境工程，特别是直接碳燃料电池（Direct Carbon Fuel Cell, DCFC）技术。随着全球能源需求的增长，探索可持续和可再生能源成为迫切需求。生物质（biomass）作为一种可再生能源，其利用有助于减少温室气体排放和废物处理问题。然而，生物质作为燃料的利用可能导致资源枯竭，因此开发从废物中回收能源的技术至关重要。尼日利亚等依赖化石燃料的发展中国家尤其需要探索可持续能源解决方案。本研究旨在通过直接碳燃料电池技术，研究生物质（如槐豆废料，Locust Bean Waste, LBW）与煤炭（coal）的复合燃料在熔融碳酸盐直接碳燃料电池（Molten Carbonate Direct Carbon Fuel Cell, MCDCFC）中的电化学性能，以期为可再生能源与化石燃料的结合提供技术支持，减少碳排放并提高能源效率。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. 样品准备：研究选取了两种样品：烟煤（bituminous coal）和槐豆废料（LBW）。LBW样品经过一周的晒干以降低水分含量，随后通过机械粉碎并过筛（500 μm）。烟煤样品也经过相同处理。样品在500°C和600°C下进行热解（pyrolysis），并在氮气环境中冷却，最终得到生物炭（biochar）。

2. 样品表征：使用ELTRA CHS-580分析仪对样品进行近位分析（proximate analysis）和元素分析（ultimate analysis），测定碳、氢、氧、氮和硫的含量。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析样品的相组成和形态结构。SEM结果显示，复合燃料的颗粒尺寸较大且形状不规则，这有助于提高燃料的电流密度。

3. 电化学性能测试：使用熔融碳酸盐直接碳燃料电池（MCDCFC）测试样品的电化学性能。实验在500°C至800°C的温度范围内进行，使用五种不同的电阻负载（1 Ω、2 Ω、3 Ω、4 Ω和5 Ω）。通过测量开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）、电流密度和功率密度来评估样品的性能。实验结果显示，复合燃料在800°C和1 Ω电阻下表现出最佳性能，开路电压为1.16 V，电流密度为43.2 mA/cm²，功率密度为2.91 mW/cm²，效率达到73%。

4. 数据分析：通过XRD和SEM数据，研究分析了样品的晶体结构和形态特征。XRD结果显示，LBW样品表现出无序结构，而烟煤样品则表现出晶体结构。复合燃料的XRD峰位于26.637°，表明其具有较高的单元晶胞尺寸和反应活性位点。

主要结果

1. 样品表征结果：LBW样品的水分含量为3.0 wt%，灰分含量为8.0 wt%，挥发物含量为67 wt%。烟煤样品的水分含量为2.4 wt%，灰分含量为6.9 wt%，挥发物含量为68.8 wt%。复合燃料的碳含量为58.4 wt%，氢含量为6.8 wt%，硫含量为0.2 wt%。SEM结果显示，复合燃料的颗粒尺寸较大且形状不规则，这有助于提高燃料的电流密度。

2. 电化学性能测试结果：在800°C和1 Ω电阻下，复合燃料表现出最佳性能，开路电压为1.16 V，电流密度为43.2 mA/cm²，功率密度为2.91 mW/cm²，效率达到73%。LBW样品的开路电压为0.92 V，烟煤样品的开路电压为1.012 V。复合燃料的性能优于单一燃料，表明燃料混合物能够提高燃料电池的电压输出。

3. XRD和SEM分析结果：XRD结果显示，LBW样品表现出无序结构，而烟煤样品则表现出晶体结构。复合燃料的XRD峰位于26.637°，表明其具有较高的单元晶胞尺寸和反应活性位点。SEM结果显示，复合燃料的颗粒尺寸较大且形状不规则，这有助于提高燃料的电流密度。

结论

该研究成功验证了槐豆废料与烟煤复合燃料在熔融碳酸盐直接碳燃料电池中的电化学性能。复合燃料在800°C和1 Ω电阻下表现出最佳性能，开路电压为1.16 V，电流密度为43.2 mA/cm²，功率密度为2.91 mW/cm²，效率达到73%。研究结果表明，将生物质与化石燃料结合能够显著提高燃料电池的性能，为可持续能源的开发提供了新的思路。此外，利用废物材料如槐豆废料作为燃料，不仅有助于环境保护，还能提高能源效率，展示了绿色能源解决方案的潜力。

研究亮点

1. 重要发现：复合燃料在熔融碳酸盐直接碳燃料电池中表现出优异的电化学性能，效率达到73%，显著高于单一燃料。
2. 方法创新：研究采用了熔融碳酸盐直接碳燃料电池技术，结合生物质与化石燃料，为可再生能源与化石燃料的结合提供了新的技术路径。
3. 研究对象的特殊性：槐豆废料作为一种农业废弃物，其利用不仅有助于废物处理，还能提高能源效率，具有重要的环境和经济价值。

其他有价值的内容

研究还探讨了热解（pyrolysis）过程中温度对样品性能的影响，发现高温下熔融碳酸盐的导电性提高，离子传输速率加快，从而降低了欧姆损耗（ohmic losses）。这一发现为优化燃料电池的操作条件提供了重要参考。此外，研究还通过XRD和SEM分析了样品的晶体结构和形态特征，为理解燃料在燃料电池中的反应机制提供了重要数据支持。

该研究为生物质与化石燃料结合在直接碳燃料电池中的应用提供了重要的实验数据和理论支持，具有显著的学术价值和应用前景。