Træer bliver højteknologiske:Processen gør cellulose til energilagringsenheder

Baseret på en grundlæggende kemisk opdagelse af forskere ved Oregon State University, Det ser ud til, at træer snart kan spille en stor rolle i fremstillingen af ​​højteknologiske energilagringsenheder.

OSU-kemikere har fundet ud af, at cellulose - den mest udbredte organiske polymer på Jorden og en nøglekomponent i træer - kan opvarmes i en ovn i nærvær af ammoniak, og forvandlet til byggestenene til superkondensatorer.

Disse superkondensatorer er ekstraordinære, højeffekt energienheder med en bred vifte af industrielle applikationer, i alt fra elektronik til biler og luftfart. Men udbredt brug af dem er blevet holdt tilbage primært af omkostningerne og vanskeligheden ved at producere kulstofelektroder af høj kvalitet.

Den nye tilgang, der netop er opdaget i Oregon State, kan producere nitrogen-doteret, nanoporøse kulstofmembraner - elektroderne i en superkondensator - til lave omkostninger, hurtigt, i en miljøvenlig proces. Det eneste biprodukt er metan, som umiddelbart kunne bruges som brændstof eller til andre formål.

"Letheden, hastigheden og potentialet i denne proces er virkelig spændende, " sagde Xiulei (David) Ji, en assisterende professor i kemi ved OSU College of Science, og hovedforfatter på en undersøgelse, der annoncerer opdagelsen i Nano bogstaver , et tidsskrift fra American Chemical Society. Forskningen blev finansieret af OSU.

"For første gang har vi bevist, at du kan reagere cellulose med ammoniak og skabe disse N-doterede nanoporøse kulstofmembraner, " sagde Ji. "Det er overraskende, at en sådan grundlæggende reaktion ikke blev rapporteret før. Ikke kun er der industrielle applikationer, men dette åbner et helt nyt videnskabeligt område, undersøgelse af reducerende gasmidler til kulstofaktivering.

"Vi vil tage billigt træ og gøre det til et værdifuldt højteknologisk produkt, " han sagde.

Disse kulstofmembraner på nanoskala er ekstraordinært tynde - et enkelt gram af dem kan have et overfladeareal på næsten 2, 000 kvadratmeter. Det er en del af det, der gør dem nyttige i superkondensatorer. Og den nye proces, der bruges til at gøre dette, er en enkelttrinsreaktion, der er hurtig og billig. Det starter med noget omtrent så simpelt som et cellulosefilterpapir – konceptuelt svarende til engangspapirfilteret i en kaffemaskine.

Eksponeringen for høj varme og ammoniak omdanner cellulosen til et nanoporøst kulstofmateriale, der er nødvendigt for superkondensatorer, og skal gøre det muligt at fremstille dem, i masse, billigere end før.

En superkondensator er en type energilagringsenhed, men det kan genoplades meget hurtigere end et batteri og har meget mere kraft. De bruges for det meste i enhver type enhed, hvor der er hurtig strømlagring og kortslutning, men kraftfuld energifrigivelse er nødvendig.

Superkondensatorer kan bruges i computere og forbrugerelektronik, såsom blitzen i et digitalkamera. De har applikationer i tung industri, og er i stand til at drive alt fra en kran til en gaffeltruck. En superkondensator kan opfange energi, der ellers ville være spildt, såsom ved bremseoperationer. Og deres energilagringsevner kan hjælpe med at "udjævne" strømstrømmen fra alternative energisystemer, såsom vindenergi.

De kan drive en defibrillator, åbne nødskyderne på et fly og i høj grad forbedre effektiviteten af ​​hybride elbiler.

Udover superkondensatorer, nanoporøse kulstofmaterialer har også anvendelser til at adsorbere gasforurenende stoffer, miljøfiltre, vandbehandling og andre anvendelser.

"Der er mange anvendelser af superkondensatorer rundt om i verden, men lige nu er feltet begrænset af omkostninger, " sagde Ji. "Hvis vi bruger dette meget hurtigt, enkel proces til at gøre disse enheder meget billigere, der kan være store fordele."