本研究的主要作者包括Qianyuan Qiu、Mingyang Zhou、Weizi Cai、Qian Zhou、Yapeng Zhang、Wei Wang、Meilin Liu和Jiang Liu。研究机构包括华南理工大学环境与能源学院的新能源研究所（广州）、香港理工大学建筑与房地产系的建筑能源研究组（香港），以及美国乔治亚理工学院材料科学与工程学院（亚特兰大）。该研究于2019年发表在《Biomass and Bioenergy》期刊上。
本研究的主要科学领域是生物质能源与固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）。研究的背景在于，全球每年产生大量的农作物残余物（如小麦秸秆、玉米芯和甘蔗渣），这些残余物通常被焚烧或低效利用，导致严重的环境污染和资源浪费。因此，开发一种高效、清洁的利用这些残余物的技术具有重要意义。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种能够通过电化学氧化燃料来发电的装置，具有高效率和低污染的特点。直接碳固体氧化物燃料电池（Direct Carbon Solid Oxide Fuel Cell, DC-SOFC）是一种无需气化剂或液体介质即可直接利用碳燃料的装置，具有理论转换效率略高于100%的优势。本研究旨在评估利用小麦秸秆、玉米芯和甘蔗渣制备的生物炭作为DC-SOFC燃料的可行性，并比较不同生物炭对电池性能的影响。
研究首先从中国不同地区的农田收集了一年生的小麦秸秆、玉米芯和甘蔗渣。这些作物残余物经过阳光干燥和烤箱干燥后，在氩气环境中进行热解，制备成生物炭。生物炭经过粉碎和筛分后，用于后续实验。
研究使用氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）作为电解质材料，并通过球磨、等静压和烧结等步骤制备电解质片。阳极和阴极材料为银和钆掺杂的氧化铈（GDC）的复合材料，通过刷涂和共烧结工艺制备电极。
生物炭被填充到石英管容器中，与制备好的SOFC片连接，形成DC-SOFC装置。每个装置中填充0.5克生物炭，并在800°C下进行电化学性能测试。
研究使用热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等技术对生物炭的微观结构、元素组成和晶体结构进行了详细表征。此外，还通过电化学测试分析了DC-SOFC的输出性能和阻抗谱。
研究发现，小麦秸秆、玉米芯和甘蔗渣制备的生物炭在热解后的产率分别为33%、26%和46%。TGA分析显示，甘蔗渣生物炭的有效碳含量最高，而玉米芯生物炭的灰分含量最低。SEM和EDS分析表明，不同生物炭的微观结构和元素组成存在显著差异，甘蔗渣生物炭具有较低的硫和硅含量，且含有K2CO3作为催化剂。
在800°C下，使用甘蔗渣生物炭的DC-SOFC表现出最高的输出性能，峰值功率密度达到260 mW cm⁻²，而使用小麦秸秆生物炭的电池性能最低，峰值功率密度为187 mW cm⁻²。阻抗谱分析表明，甘蔗渣生物炭的极化电阻最低，而小麦秸秆生物炭的极化电阻最高。
在恒定电流密度下，使用甘蔗渣生物炭的电池放电时间最长，达到22小时，而使用小麦秸秆生物炭的电池放电时间最短，仅为15小时。甘蔗渣生物炭的电池释放的能量最高，达到646.8 mWh。
研究表明，小麦秸秆、玉米芯和甘蔗渣制备的生物炭可以作为DC-SOFC的燃料，且无需额外添加催化剂。甘蔗渣生物炭由于其低硫低硅含量、K2CO3催化剂的存在以及较低的堆积密度，表现出最佳的电池性能。相比之下，小麦秸秆生物炭由于高硫高硅含量和较高的堆积密度，导致电池性能较差。研究还表明，甘蔗渣作为DC-SOFC的燃料具有较高的转换效率，适合用于分布式发电系统。
研究还指出，DC-SOFC技术仍处于发展阶段，未来需要进一步研究如何实现碳燃料的连续供给，以提高其实际应用价值。此外，研究结果不仅适用于中国的农作物残余物，也适用于全球其他地区相同作物的残余物。
本研究为高效、清洁利用农作物残余物提供了新的技术路径，具有重要的科学和应用价值。通过DC-SOFC技术，可以将农作物残余物转化为电能，减少环境污染，缓解农村地区的电力供应问题。此外，研究还为生物质能源的高效利用提供了新的思路和方法。