Bioraffinaderier är avgörande för att ge näring åt ekonomin - omvandling av flis, gräsklipp, och andra biologiska material till bränslen, värme, kraft, och kemikalier.

En forskargrupp vid det amerikanska energidepartementets (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory har nu upptäckt ett sätt att skapa funktionella material från de orena sockerarterna som produceras i bioraffineringsprocesserna.

Med hjälp av hydrotermisk kolsyrning, en syntesteknik som omvandlar biomassa till kol under höga temperatur- och tryckförhållanden, teamet förvandlade avfallssocker till sfäriska kolmaterial. Dessa kolsfärer kan användas för att bilda förbättrade superkondensatorer, som är energilagringsenheter som hjälper krafttekniker inklusive smartphones, hybridfordon, och säkerhetslarmsystem. Lagets resultat publiceras i Vetenskapliga rapporter , a Natur forskningstidskrift.

"Det viktiga fyndet är att vi hittade ett sätt att ta socker från växter och annat organiskt material och använda det för att skapa olika strukturer, sa Amit Naskar, en senior forskare vid ORNL:s materialvetenskapliga och tekniska avdelning. "Att känna till fysiken bakom hur dessa strukturer bildas kan hjälpa oss att förbättra komponenter i energilagring."

Genom att modifiera syntesprocessen, forskarna skapade två sorter av de nya kolsfärerna. Att kombinera socker och vatten under tryck resulterade i fasta sfärer, medan att ersätta vatten med en emulsionssubstans (en vätska som använder kemikalier för att kombinera olja och vatten) producerade vanligtvis ihåliga sfärer istället.

"Bara genom att ersätta vatten med denna andra vätska, vi kan styra kolformen, vilket kan ha enorma konsekvenser för superkondensatorns prestanda, "sa Hoi Chun Ho, en Ph.D. kandidat som arbetar med Naskar vid Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education, ett joint venture mellan ORNL och University of Tennessee, Knoxville. Teamet upptäckte också att förändring av syntesens varaktighet direkt påverkade sfärernas storlek och form.

För att ytterligare utforska skillnaderna mellan solida och ihåliga kolstrukturer, laget körde syntesimuleringar på Superdator Cray XK7 Titan vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en DOE Office of Science User Facility som ligger på ORNL. De använde också transmissionselektronmikroskopi (TEM) och småvinklar röntgenspridning (SAXS) verktyg vid Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en annan DOE Office of Science User Facility, för att karaktärisera kolprovens kapacitet och struktur.

"Vi ville avgöra vilken typ av yta som är bra för energilagringstillämpningar, och vi lärde oss att de ihåliga sfärerna är mer lämpliga, "sa ORNL -forskaren Monojoy Goswami från CNMS och avdelningen för datavetenskap och teknik." Utan dessa simuleringar och resurser, vi skulle inte ha kunnat nå denna grundläggande förståelse."

Med dessa data testade laget en superkondensator med elektroder gjorda av ihåliga kolsfärer, som behöll cirka 90 procent kapacitans - möjligheten att lagra en elektrisk laddning - efter 5, 000 laddningscykler. Även om superkondensatorer inte kan lagra så mycket energi som batterier kan lagra, de har många fördelar jämfört med batterier, som snabbare laddning och exceptionellt lång livslängd. Vissa tekniker innehåller både batterier för att ge vardaglig energi och superkondensatorer för att ge ytterligare stöd vid högsta effektbehov.

"Batterier stöder ofta enbart smartphones och andra elektroniska enheter, men superkondensatorer kan vara användbara för många applikationer med hög effekt, "Ho sa." Till exempel, om ett fordon kör uppför en brant kulle med många passagerare, den extra påfrestningen kan få superkondensatorn att sparka in."

Vägen från avfallssocker till ihåliga kolsfärer till superkondensatorer visar ny potential för tidigare outnyttjade biprodukter från bioraffinaderier. Forskarna planerar projekt för att hitta och testa andra applikationer för kolmaterial som härrör från avfallssocker, såsom förstärkning av polymerkompositer med kolfibrer.

"Kol kan tjäna många användbara syften förutom att förbättra superkondensatorer, "Ho sa." Det finns mer arbete att göra för att fullt ut förstå den strukturella utvecklingen av kolmaterial. "

Att använda avfallsströmmar kan också hjälpa forskare att bedriva former av hållbar energi i en större skala. Enligt ORNL-teamet, bioraffinaderier kan producera fördelaktiga kombinationer av förnybar energi och kemikalier men är ännu inte tillräckligt lönsamma för att konkurrera med traditionella energikällor. Dock, forskarna räknar med att utveckla användbara material från avfall kan bidra till att förbättra effektiviteten och sänka kostnaderna, göra produktionen från dessa anläggningar livskraftiga alternativ till olja och andra fossila bränslen.

"Vårt mål är att använda avfallsenergi för gröna applikationer, "Goswami sa." Det är bra för miljön, för bioraffinaderiindustrin, och för handeln. "