Gli impianti di bioraffineria sono fondamentali per alimentare l'economia:conversione di trucioli di legno, erba tagliata, e altri materiali biologici in combustibili, calore, potenza, e prodotti chimici.

Un team di ricerca presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha ora scoperto un modo per creare materiali funzionali dagli zuccheri di scarto impuri prodotti nei processi di bioraffinazione.

Usando la carbonizzazione idrotermale, una tecnica di sintesi che converte la biomassa in carbonio in condizioni di alta temperatura e pressione, il team ha trasformato lo zucchero di scarto in materiali di carbonio sferici. Queste sfere di carbonio potrebbero essere utilizzate per formare supercondensatori migliorati, che sono dispositivi di accumulo di energia che aiutano le tecnologie di alimentazione inclusi smartphone, veicoli ibridi, e sistemi di allarme di sicurezza. I risultati della squadra sono pubblicati in Rapporti scientifici , un Natura rivista di ricerca.

"La scoperta significativa è che abbiamo trovato un modo per prendere lo zucchero dalle piante e da altra materia organica e usarlo per creare strutture diverse, " ha detto Amit Naskar, un ricercatore senior nella Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali dell'ORNL. "Conoscere la fisica alla base del modo in cui si formano queste strutture può aiutarci a migliorare i componenti dell'accumulo di energia".

Modificando il processo di sintesi, i ricercatori hanno creato due varietà delle nuove sfere di carbonio. La combinazione di zucchero e acqua sotto pressione ha prodotto sfere solide, mentre la sostituzione dell'acqua con una sostanza in emulsione (un liquido che utilizza sostanze chimiche per combinare olio e acqua) produceva invece sfere cave.

"Solo sostituendo l'acqua a quest'altro liquido, possiamo controllare la forma del carbonio, che potrebbe avere enormi implicazioni per le prestazioni dei supercondensatori, " disse Hoi Chun Ho, un dottorato di ricerca candidato che lavora con Naskar presso il Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education, una joint venture di ORNL e l'Università del Tennessee, Knoxville. Il team ha anche scoperto che l'alterazione della durata della sintesi influenzava direttamente la dimensione e la forma delle sfere.

Per esplorare ulteriormente le discrepanze tra strutture di carbonio solide e cave, il team ha eseguito simulazioni di sintesi sul supercomputer Cray XK7 Titan presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), un DOE Office of Science User Facility situato presso l'ORNL. Hanno anche utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e gli strumenti di diffusione dei raggi X a piccolo angolo (SAXS) presso il Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, caratterizzare le capacità e la struttura dei campioni di carbonio.

"Volevamo determinare quale tipo di superficie è adatta per le applicazioni di accumulo di energia, e abbiamo imparato che le sfere cave sono più adatte, " ha affermato il ricercatore dell'ORNL Monojoy Goswami del CNMS e della divisione di informatica e ingegneria. "Senza queste simulazioni e risorse, non saremmo stati in grado di raggiungere questa comprensione fondamentale".

Con questi dati il ​​team ha testato un supercondensatore con elettrodi realizzati con sfere cave di carbonio, che conservava circa il 90 percento di capacità, la capacità di immagazzinare una carica elettrica, dopo 5, 000 cicli di carica. Sebbene i supercondensatori non possano immagazzinare tanta energia quanta ne possono immagazzinare le batterie, hanno molti vantaggi rispetto alle batterie, come una ricarica più rapida e una durata eccezionalmente lunga. Alcune tecnologie contengono sia batterie per fornire energia quotidiana che supercondensatori per fornire supporto aggiuntivo durante le richieste di potenza di picco.

"Le batterie spesso supportano solo smartphone e altri dispositivi elettronici, ma i supercondensatori possono essere utili per molte applicazioni ad alta potenza, "Ho detto. "Per esempio, se un veicolo sta guidando su una ripida collina con molti passeggeri, la tensione extra può far entrare in azione il supercondensatore."

Il percorso dallo zucchero di scarto alle sfere cave di carbonio ai supercondensatori dimostra un nuovo potenziale per sottoprodotti precedentemente non sfruttati dalle bioraffinerie. I ricercatori stanno pianificando progetti per trovare e testare altre applicazioni per materiali in carbonio derivati ​​da zuccheri di scarto, come il rinforzo di compositi polimerici con fibre di carbonio.

"Il carbonio può servire a molti scopi utili oltre a migliorare i supercondensatori, "Ho detto. "C'è ancora molto lavoro da fare per comprendere appieno l'evoluzione strutturale dei materiali di carbonio".

L'utilizzo dei flussi di rifiuti potrebbe anche aiutare gli scienziati a perseguire forme di energia sostenibile su scala più ampia. Secondo il team dell'ORNL, le bioraffinerie possono produrre combinazioni benefiche di energia rinnovabile e prodotti chimici, ma non sono ancora abbastanza redditizie per competere con le fonti energetiche tradizionali. Però, i ricercatori prevedono che lo sviluppo di materiali utili dai rifiuti potrebbe aiutare a migliorare l'efficienza e ridurre i costi, rendendo gli output di queste strutture valide alternative al petrolio e ad altri combustibili fossili.

"Il nostro obiettivo è utilizzare l'energia di scarto per applicazioni ecologiche, " Goswami ha detto. "Questo è un bene per l'ambiente, per l'industria della bioraffineria, e per il commercio".