Forskare har upptäckt ett nytt sätt att förvandla cellulosa till nanoporösa kolmembran i ett enda steg. Kredit:(Grafisk med tillstånd av Oregon State University)
Baserat på en grundläggande kemisk upptäckt av forskare vid Oregon State University, det verkar som att träd snart kan spela en viktig roll för att tillverka högteknologiska energilagringsenheter.
OSU-kemister har funnit att cellulosa – den mest förekommande organiska polymeren på jorden och en nyckelkomponent i träd – kan värmas upp i en ugn i närvaro av ammoniak, och förvandlats till byggstenarna för superkondensatorer.
Dessa superkondensatorer är extraordinära, högeffektsenergienheter med ett brett utbud av industriella tillämpningar, inom allt från elektronik till bilar och flyg. Men den utbredda användningen av dem har hållits tillbaka främst av kostnaden och svårigheten att producera högkvalitativa kolelektroder.
Den nya metoden som just upptäckts i Oregon State kan producera kvävedopad, nanoporösa kolmembran – elektroderna i en superkondensator – till låg kostnad, snabbt, i en miljövänlig process. Den enda biprodukten är metan, som omedelbart skulle kunna användas som bränsle eller för andra ändamål.
"Lättheten, hastigheten och potentialen i denna process är verkligen spännande, " sa Xiulei (David) Ji, en biträdande professor i kemi vid OSU College of Science, och huvudförfattare på en studie som tillkännager upptäckten i Nanobokstäver , en tidskrift från American Chemical Society. Forskningen finansierades av OSU.
Cellulosan från skördade träd kan snart bli grunden för högteknologiska energilagringsanordningar. Kredit:USDA
"För första gången har vi bevisat att du kan reagera cellulosa med ammoniak och skapa dessa N-dopade nanoporösa kolmembran, " sade Ji. "Det är förvånande att en sådan grundläggande reaktion inte rapporterades tidigare. Det finns inte bara industriella tillämpningar, men detta öppnar ett helt nytt vetenskapligt område, studera reducerande gasmedel för kolaktivering.
"Vi ska ta billigt virke och förvandla det till en värdefull högteknologisk produkt, " han sa.
Dessa kolmembran på nanoskala är utomordentligt tunna – ett enda gram av dem kan ha en yta på nästan 2, 000 kvadratmeter. Det är en del av det som gör dem användbara i superkondensatorer. Och den nya processen som används för att göra detta är en reaktion i ett steg som är snabb och billig. Det börjar med något ungefär så enkelt som ett cellulosafilterpapper – konceptuellt liknar engångspappersfiltret i en kaffebryggare.
Exponeringen för hög värme och ammoniak omvandlar cellulosan till ett nanoporöst kolmaterial som behövs för superkondensatorer, och bör göra det möjligt att producera dem, i massa, billigare än tidigare.
En superkondensator är en typ av energilagringsenhet, men det kan laddas mycket snabbare än ett batteri och har mycket mer kraft. De används oftast i alla typer av enheter där snabb strömlagring och kortslutning, men kraftfull energifrisättning behövs.
Superkondensatorer kan användas i datorer och hemelektronik, som blixten i en digitalkamera. De har applikationer inom tung industri, och kan driva allt från en kran till en gaffeltruck. En superkondensator kan fånga energi som annars skulle kunna gå till spillo, såsom vid bromsning. Och deras energilagringsförmåga kan hjälpa till att "jämna ut" kraftflödet från alternativa energisystem, som vindenergi.
De kan driva en defibrillator, öppna nödrutschbanorna på ett flygplan och förbättra effektiviteten av hybridelektriska bilar avsevärt.
Förutom superkondensatorer, nanoporösa kolmaterial har också tillämpningar för att adsorbera gasföroreningar, miljöfilter, vattenrening och andra användningsområden.
"Det finns många tillämpningar av superkondensatorer runt om i världen, men just nu är fältet begränsat av kostnader, " sa Ji. "Om vi använder det här väldigt snabbt, enkel process för att göra dessa enheter mycket billigare, det kan finnas enorma fördelar."
