Les installations de bioraffinerie sont essentielles pour alimenter l'économie—conversion des copeaux de bois, tontes de gazon, et d'autres matières biologiques en carburants, Chauffer, Puissance, et produits chimiques.

Une équipe de recherche du laboratoire national d'Oak Ridge du département américain de l'Énergie (DOE) a maintenant découvert un moyen de créer des matériaux fonctionnels à partir des sucres résiduels impurs produits dans les processus de bioraffinage.

Par carbonisation hydrothermale, une technique de synthèse qui transforme la biomasse en carbone dans des conditions de température et de pression élevées, l'équipe a transformé les déchets de sucre en matériaux carbonés sphériques. Ces sphères de carbone pourraient être utilisées pour former des supercondensateurs améliorés, qui sont des dispositifs de stockage d'énergie qui aident les technologies d'alimentation, y compris les smartphones, véhicules hybrides, et les systèmes d'alarme de sécurité. Les résultats de l'équipe sont publiés dans Rapports scientifiques , une La nature revue de recherche.

"La découverte importante est que nous avons trouvé un moyen de prendre le sucre des plantes et d'autres matières organiques et de l'utiliser pour fabriquer différentes structures, " a déclaré Amit Naskar, chercheur principal à la Division Science et Technologie des Matériaux de l'ORNL. "Connaître la physique derrière la formation de ces structures peut nous aider à améliorer les composants du stockage d'énergie."

En modifiant le processus de synthèse, les chercheurs ont créé deux variétés des nouvelles sphères de carbone. La combinaison de sucre et d'eau sous pression a donné des sphères solides, alors que le remplacement de l'eau par une substance en émulsion (un liquide qui utilise des produits chimiques pour combiner l'huile et l'eau) produisait généralement des sphères creuses.

"Juste en substituant de l'eau à cet autre liquide, nous pouvons contrôler la forme du carbone, ce qui pourrait avoir d'énormes implications pour les performances des supercondensateurs, " dit Hoi Chun Ho, un doctorat candidat travaillant avec Naskar au Bredesen Center for Interdisciplinaire Research and Graduate Education, une joint-venture de l'ORNL et de l'Université du Tennessee, Knoxville. L'équipe a également découvert que la modification de la durée de synthèse affectait directement la taille et la forme des sphères.

Pour explorer davantage les divergences entre les structures de carbone solides et creuses, l'équipe a effectué des simulations de synthèse sur le supercalculateur Cray XK7 Titan de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science située à l'ORNL. Ils ont également utilisé des outils de microscopie électronique à transmission (MET) et de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) au Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), une autre installation utilisateur du DOE Office of Science, caractériser les capacités et la structure des échantillons de carbone.

« Nous voulions déterminer quel type de surface est bon pour les applications de stockage d'énergie, et nous avons appris que les sphères creuses sont plus adaptées, " a déclaré Monojoy Goswami, chercheur de l'ORNL du CNMS et de la division Informatique et ingénierie. " Sans ces simulations et ressources, nous n'aurions pas pu atteindre cette compréhension fondamentale."

Avec ces données, l'équipe a testé un supercondensateur avec des électrodes en sphères creuses de carbone, qui a conservé environ 90 pour cent de capacité - la capacité de stocker une charge électrique - après 5, 000 cycles de charge. Bien que les supercondensateurs ne puissent pas stocker autant d'énergie que les batteries peuvent en stocker, ils ont de nombreux avantages par rapport aux batteries, comme une charge plus rapide et des durées de vie exceptionnellement longues. Certaines technologies contiennent à la fois des batteries pour fournir de l'énergie quotidienne et des supercondensateurs pour fournir une assistance supplémentaire lors des pics de consommation.

« Les batteries ne prennent souvent en charge que les smartphones et autres appareils électroniques, mais les supercondensateurs peuvent être utiles pour de nombreuses applications haute puissance, " Ho dit. " Par exemple, si un véhicule monte une pente raide avec de nombreux passagers, la contrainte supplémentaire peut provoquer le démarrage du supercondensateur."

La voie des déchets de sucre aux sphères creuses de carbone et aux supercondensateurs démontre un nouveau potentiel pour les sous-produits des bioraffineries jusqu'alors inexploités. Les chercheurs envisagent des projets pour trouver et tester d'autres applications pour les matériaux carbonés dérivés de déchets de sucre tels que les composites polymères de renforcement avec des fibres de carbone.

"Le carbone peut servir à de nombreuses fins utiles en plus d'améliorer les supercondensateurs, " Ho a déclaré. " Il y a plus de travail à faire pour bien comprendre l'évolution structurelle des matériaux de carbone. "

L'utilisation des flux de déchets pourrait également aider les scientifiques à rechercher des formes d'énergie durable à plus grande échelle. Selon l'équipe de l'ORNL, les bioraffineries peuvent produire des combinaisons avantageuses d'énergie renouvelable et de produits chimiques, mais ne sont pas encore suffisamment rentables pour concurrencer les sources d'énergie traditionnelles. Cependant, les chercheurs prévoient que le développement de matériaux utiles à partir de déchets pourrait aider à améliorer l'efficacité et à réduire les coûts, faire des sorties de ces installations des alternatives viables au pétrole et aux autres combustibles fossiles.

"Notre objectif est d'utiliser l'énergie des déchets pour des applications vertes, " dit Goswami. " C'est bon pour l'environnement, pour l'industrie de la bioraffinerie, et pour le commerce."