Bioraffinagefaciliteiten zijn van cruciaal belang voor het voeden van de economie:het omzetten van houtsnippers, gemaaid gras, en andere biologische materialen in brandstoffen, warmte, stroom, en chemicaliën.

Een onderzoeksteam van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE's) heeft nu een manier ontdekt om functionele materialen te maken van de onzuivere afvalsuikers die worden geproduceerd in de bioraffinageprocessen.

Met behulp van hydrothermische carbonisatie, een synthesetechniek die biomassa onder hoge temperatuur- en drukomstandigheden omzet in koolstof, het team transformeerde afvalsuiker in bolvormige koolstofmaterialen. Deze koolstofbollen kunnen worden gebruikt om verbeterde supercondensatoren te vormen, dit zijn apparaten voor energieopslag die helpen bij het aandrijven van technologieën, waaronder smartphones, hybride voertuigen, en beveiligingsalarmsystemen. De resultaten van het team worden gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , een Natuur onderzoeksjournaal.

"De significante bevinding is dat we een manier hebben gevonden om suiker uit planten en ander organisch materiaal te halen en het te gebruiken om verschillende structuren te maken, " zei Amit Naskar, een senior onderzoeker in de Materials Science and Technology Division van ORNL. "Als we de fysica kennen achter hoe die structuren worden gevormd, kunnen we componenten van energieopslag verbeteren."

Door het syntheseproces te wijzigen, de onderzoekers creëerden twee varianten van de nieuwe koolstofbollen. Het combineren van suiker en water onder druk resulteerde in vaste bollen, terwijl het vervangen van water door een emulsiesubstantie (een vloeistof die chemicaliën gebruikt om olie en water te combineren) in plaats daarvan meestal holle bollen produceerde.

"Gewoon door water te vervangen door deze andere vloeistof, we kunnen de vorm van de koolstof bepalen, wat enorme gevolgen kan hebben voor de prestaties van supercondensatoren, " zei Hoi Chun Ho, een doctoraat kandidaat die met Naskar werkt bij het Bredesen Centre for Interdisciplinair Onderzoek en Graduate Education, een joint venture van ORNL en de Universiteit van Tennessee, Knoxville. Het team ontdekte ook dat het veranderen van de duur van de synthese rechtstreeks van invloed was op de grootte en vorm van de bollen.

Om de discrepanties tussen vaste en holle koolstofstructuren verder te onderzoeken, het team voerde synthesesimulaties uit op de Cray XK7 Titan-supercomputer in de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een DOE Office of Science User Facility bij ORNL. Ze gebruikten ook transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) tools in het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), een andere DOE Office of Science User Facility, om de mogelijkheden en structuur van de koolstofmonsters te karakteriseren.

"We wilden bepalen wat voor soort oppervlakte goed is voor toepassingen voor energieopslag, en we leerden dat de holle bollen geschikter zijn, " zei ORNL-onderzoeker Monojoy Goswami van CNMS en de Computer Science and Engineering Division. "Zonder deze simulaties en middelen, we zouden niet in staat zijn geweest om dit fundamentele begrip te bereiken."

Met deze gegevens testte het team een ​​supercondensator met elektroden gemaakt van holle koolstofbollen, die ongeveer 90 procent capaciteit behield - het vermogen om een ​​elektrische lading op te slaan - na 5, 000 laadcycli. Hoewel supercondensatoren niet zoveel energie kunnen opslaan als batterijen, ze hebben veel voordelen ten opzichte van batterijen, zoals sneller opladen en uitzonderlijk lange levensduur. Sommige technologieën bevatten zowel batterijen om dagelijkse energie te leveren als supercondensatoren om extra ondersteuning te bieden tijdens piekvermogensvraag.

"Batterijen ondersteunen vaak alleen smartphones en andere elektronische apparaten, maar supercondensatoren kunnen nuttig zijn voor veel krachtige toepassingen, "Ho zei. "Bijvoorbeeld, als een voertuig met veel passagiers een steile heuvel oprijdt, de extra belasting kan ervoor zorgen dat de supercondensator in werking treedt."

Het pad van afvalsuiker naar holle koolstofbollen naar supercondensatoren toont nieuw potentieel voor voorheen onaangeboorde bijproducten van bioraffinaderijen. De onderzoekers plannen projecten om andere toepassingen te vinden en te testen voor koolstofmaterialen die zijn afgeleid van afvalsuiker, zoals het versterken van polymeercomposieten met koolstofvezels.

"Koolstof kan vele nuttige doelen dienen naast het verbeteren van supercondensatoren, " Ho zei. "Er moet meer werk worden gedaan om de structurele evolutie van koolstofmaterialen volledig te begrijpen."

Het benutten van reststromen kan wetenschappers ook helpen om vormen van duurzame energie breder na te streven. Volgens het ORNL-team bioraffinaderijen kunnen gunstige combinaties van hernieuwbare energie en chemicaliën produceren, maar zijn nog niet winstgevend genoeg om te concurreren met traditionele energiebronnen. Echter, de onderzoekers verwachten dat het ontwikkelen van bruikbare materialen uit afval kan helpen de efficiëntie te verbeteren en de kosten te verlagen, de output van deze faciliteiten levensvatbare alternatieven voor olie en andere fossiele brandstoffen maken.

"Ons doel is om afvalenergie te gebruiken voor groene toepassingen, "Zei Goswami. "Dat is goed voor het milieu, voor de bioraffinage-industrie, en voor de handel."