Forskere skaber lysemitterende dioder fra mad- og drikkevareaffald

De fleste julelys, DVD-afspillere, Fjernsyn og lommelygter har én ting til fælles:de er lavet med lysdioder (LED'er). LED'er er meget brugt til en række applikationer og har været en populær, mere effektivt alternativ til lysstofrør og glødepærer i de sidste par årtier. To forskere fra University of Utah har nu fundet en måde at skabe lysdioder fra mad- og drikkevareaffald. Ud over at udnytte mad- og drikkevareaffald, der ellers ville nedbrydes og ikke være til nytte, denne udvikling kan også reducere potentielt skadeligt affald fra LED'er, der generelt er fremstillet af giftige elementer.

Lysdioder er en type enhed, der effektivt kan konvertere elektricitet til lys. I modsætning til lysstofrør og glødepærer, som leder 80% af den forbrugte energi til at producere varme, LED'er dirigerer 80 % af den forbrugte energi til at producere lys. Dette er gjort muligt af det faktum, at LED'er ikke kræver, at en glødetråd opvarmes, som glødepærer og lysstofrør gør.

LED'er kan produceres af kvanteprikker, eller bittesmå krystaller, der har selvlysende egenskaber. Quantum dots (QD'er) kan laves med adskillige materialer, hvoraf nogle er sjældne og dyre at syntetisere, og endda potentielt skadeligt at bortskaffe. Nogle undersøgelser i løbet af de sidste 10 år har fokuseret på at bruge kulstofprikker (cd'er), eller blot QD'er lavet af kulstof, at skabe lysdioder i stedet for.

Sammenlignet med andre typer kvanteprikker, CD'er har lavere toksicitet og bedre biokompatibilitet, hvilket betyder, at de kan bruges i en bredere vifte af applikationer.

U Metallurgical Engineering Research Assistant Professor Prashant Sarswat og professor Michael Free, gennem det seneste halvandet år, har med succes forvandlet madspild som kasserede stykker tortilla til cd’er, og efterfølgende, LED'er.

Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Fysisk kemi Kemisk fysik , et tidsskrift fra Royal Society of Chemistry.

Fra brød til pære

For at syntetisere affald til cd'er, Sarswat og Free anvendte en solvotermisk syntese, eller en, hvor affaldet blev anbragt i et opløsningsmiddel under tryk og høj temperatur, indtil CD'er blev dannet. I dette eksperiment, forskerne brugte læskedrikke og stykker brød og tortilla.

Mad- og drikkevareaffaldet blev hver placeret i et opløsningsmiddel og opvarmet både direkte og indirekte i alt fra 30 til 90 minutter.

Efter at have fundet spor af cd'er fra syntesen, Sarswat og Free fortsatte med at belyse cd'erne for at overvåge deres dannelse og farve.

Parret benyttede også fire andre tests, Fourier transform infrarød spektroskopi, røntgenfotoelektronspektroskopi, Raman og AFM imaging for at bestemme cd'ernes forskellige optiske og materielle egenskaber.

"Syntetisering og karakterisering af cd'er afledt af affald er en meget udfordrende opgave. Vi er i bund og grund nødt til at bestemme størrelsen af ​​prikker, som kun er 20 nanometer eller mindre i diameter, så vi er nødt til at køre flere test for at være sikker på, at cd'er er til stede og for at bestemme, hvilke optiske egenskaber de besidder, " sagde Sarswat.

Til sammenligning, et menneskehår er omkring 75, 000 nanometer i diameter.

De forskellige tests, Sarswat og Free kørte, målte først størrelsen af ​​cd'erne, som korrelerer med intensiteten af ​​prikkernes farve og lysstyrke. Testene afgjorde derefter, hvilken kulstofkilde der producerede de bedste cd'er. For eksempel, saccharose og D-fructose opløst i læskedrikke viste sig at være de mest effektive kilder til produktion af cd'er.

Endelig, CD'erne blev suspenderet i epoxyharpikser, opvarmet og hærdet for at størkne CD'erne til praktisk brug i LED'er.

Et miljømæssigt bæredygtigt alternativ

I øjeblikket, en af ​​de mest almindelige kilder til QDs er cadmiumselenid, en forbindelse bestående af to giftige grundstoffer. Evnen til at oprette QD'er i form af cd'er fra mad- og drikkeaffald ville eliminere behovet for bekymring over giftigt affald, da selve maden og drikkevarerne ikke er giftige.

"QD'er, der stammer fra mad- og drikkevareaffald, er ikke baseret på almindelige giftige elementer som cadmium og selen, hvilket gør deres behandling og bortskaffelse mere miljøvenlig end det er for de fleste andre QD'er. Ud over, brugen af ​​mad- og drikkevareaffald som udgangsmateriale for QD'er giver mulighed for reduceret spild og omkostninger til fremstilling af et nyttigt materiale, " sagde Free.

Ud over at være giftig, når den nedbrydes, cadmiumselenid er også dyrt - et websted angav en pris på $529 for 25 ml af forbindelsen.

"Med mad- og drikkeaffald, der allerede er der, vores udgangsmateriale er meget billigere. Faktisk, det er i det væsentlige gratis, " sagde Sarswat.

Ifølge en rapport fra det amerikanske landbrugsministerium, omkring 31 % af de fødevarer, der blev produceret i 2014, var ikke tilgængelige til konsum. At kunne bruge dette affald til at skabe lysdioder, som er meget udbredt i en række teknologier, ville være en miljømæssigt bæredygtig tilgang.

Ser frem til, Sarswat og Free håber at fortsætte med at studere de LED'er, der produceres af mad- og drikkevareaffald, for stabilitet og langsigtet ydeevne.

"Det endelige mål er at gøre dette i masseskala og at bruge disse lysdioder i hverdagens enheder. For med succes at bruge affald, der allerede findes, det er slutmålet, "sagde Sarswat.