Syntesestudier omdanner affaldssukker til bæredygtige energilagringsapplikationer

Bioraffinaderifaciliteter er afgørende for at fremme økonomien - konvertering af træflis, græsafklip, og andre biologiske materialer til brændstoffer, varme, strøm, og kemikalier.

Et forskerhold ved det amerikanske energiministeriums (DOE's) Oak Ridge National Laboratory har nu opdaget en måde at skabe funktionelle materialer ud fra de urene affaldssukkere, der produceres i bioraffineringsprocesserne.

Ved hjælp af hydrotermisk karbonisering, en synteseteknik, der omdanner biomasse til kulstof under høje temperatur- og trykforhold, holdet forvandlede spildsukker til sfæriske kulstofmaterialer. Disse kulstofkugler kunne bruges til at danne forbedrede superkondensatorer, som er energilagringsenheder, der hjælper med at drive teknologier, herunder smartphones, hybridbiler, og sikkerhedsalarmsystemer. Holdets resultater offentliggøres i Videnskabelige rapporter , -en Natur forskningstidsskrift.

"Det væsentlige fund er, at vi fandt en måde at tage sukker fra planter og andet organisk materiale og bruge det til at lave forskellige strukturer, " sagde Amit Naskar, en seniorforsker i ORNL's Materials Science and Technology Division. "At kende fysikken bag, hvordan disse strukturer dannes, kan hjælpe os med at forbedre komponenter i energilagring."

Ved at ændre synteseprocessen, forskerne skabte to varianter af de nye kulstofkugler. Kombination af sukker og vand under tryk resulterede i faste kugler, hvorimod at erstatte vand med et emulsionsstof (en væske, der bruger kemikalier til at kombinere olie og vand) typisk producerede hule kugler i stedet for.

"Bare ved at erstatte denne anden væske med vand, vi kan kontrollere kulstoffets form, hvilket kan have enorme konsekvenser for superkondensatorens ydeevne, " sagde Hoi Chun Ho, en ph.d. kandidat, der arbejder med Naskar ved Bredesen Center for Tværfaglig Forskning og Graduate Education, et joint venture mellem ORNL og University of Tennessee, Knoxville. Holdet opdagede også, at ændring af syntesevarigheden direkte påvirkede kuglernes størrelse og form.

For yderligere at udforske uoverensstemmelserne mellem solide og hule kulstofstrukturer, holdet kørte syntesesimuleringer på Cray XK7 Titan supercomputeren ved Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility placeret på ORNL. De brugte også transmissionselektronmikroskopi (TEM) og small-angle X-ray scattering (SAXS) værktøjer på Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en anden DOE Office of Science brugerfacilitet, at karakterisere kulstofprøvernes egenskaber og struktur.

"Vi ønskede at bestemme, hvilken slags overfladeareal der er god til energilagringsapplikationer, og vi lærte, at de hule kugler er mere egnede, " sagde ORNL-forsker Monojoy Goswami fra CNMS og Computer Science and Engineering Division. "Uden disse simuleringer og ressourcer, vi ville ikke have været i stand til at nå denne grundlæggende forståelse."

Med disse data testede holdet en superkondensator med elektroder lavet af hule kulstofkugler, som bibeholdt omkring 90 procent kapacitans - evnen til at lagre en elektrisk ladning - efter 5, 000 opladningscyklusser. Selvom superkondensatorer ikke kan lagre så meget energi, som batterier kan lagre, de har mange fordele i forhold til batterier, såsom hurtigere opladning og usædvanlig lang levetid. Nogle teknologier indeholder både batterier til at levere hverdagsenergi og superkondensatorer for at give yderligere støtte under spidsbelastningsbehov.

"Batterier understøtter ofte smartphones og andre elektroniske enheder alene, men superkondensatorer kan være nyttige til mange højeffektapplikationer, " sagde Ho. "F.eks. hvis et køretøj kører op ad en stejl bakke med mange passagerer, den ekstra belastning kan få superkondensatoren til at sparke ind."

Vejen fra spildsukker til hule kulstofkugler til superkondensatorer viser nyt potentiale for tidligere uudnyttede biprodukter fra bioraffinaderier. Forskerne planlægger projekter for at finde og teste andre anvendelser for kulstofmaterialer afledt af affaldssukker, såsom forstærkning af polymerkompositter med kulfibre.

"Carbon kan tjene mange nyttige formål ud over at forbedre superkondensatorer, " sagde Ho. "Der er mere arbejde at gøre for fuldt ud at forstå den strukturelle udvikling af kulstofmaterialer."

Brug af affaldsstrømme kan også hjælpe forskere med at forfølge former for bæredygtig energi i en bredere skala. Ifølge ORNL-teamet, bioraffinaderier kan producere gavnlige kombinationer af vedvarende energi og kemikalier, men er endnu ikke rentable nok til at konkurrere med traditionelle energikilder. Imidlertid, forskerne forventer, at udvikling af nyttige materialer fra affald kan hjælpe med at forbedre effektiviteten og reducere omkostningerne, at gøre output fra disse faciliteter levedygtige alternativer til olie og andre fossile brændstoffer.

"Vores mål er at bruge spildenergi til grønne applikationer, " sagde Goswami. "Det er godt for miljøet, til bioraffinaderiindustrien, og for handel."