Las instalaciones de biorrefinería son fundamentales para impulsar la economía:convertir astillas de madera, recortes de césped, y otros materiales biológicos en combustibles, calor, poder, y productos químicos.

Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha descubierto ahora una forma de crear materiales funcionales a partir de los azúcares de desecho impuros producidos en los procesos de biorrefinación.

Usando carbonización hidrotermal, una técnica de síntesis que convierte la biomasa en carbono en condiciones de alta temperatura y presión, el equipo transformó el azúcar residual en materiales esféricos de carbono. Estas esferas de carbono podrían usarse para formar supercondensadores mejorados, que son dispositivos de almacenamiento de energía que ayudan a impulsar tecnologías, incluidos los teléfonos inteligentes, vehículos híbridos, y sistemas de alarma de seguridad. Los resultados del equipo se publican en Informes científicos , a Naturaleza Revista de investigación.

"El hallazgo significativo es que encontramos una manera de tomar el azúcar de las plantas y otra materia orgánica y usarla para hacer diferentes estructuras, "dijo Amit Naskar, investigador senior en la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL. "Conocer la física detrás de cómo se forman esas estructuras puede ayudarnos a mejorar los componentes del almacenamiento de energía".

Modificando el proceso de síntesis, los investigadores crearon dos variedades de las nuevas esferas de carbono. La combinación de azúcar y agua a presión dio como resultado esferas sólidas, mientras que reemplazar el agua con una sustancia en emulsión (un líquido que usa productos químicos para combinar aceite y agua) generalmente produce esferas huecas.

"Con solo sustituir el agua por este otro líquido, podemos controlar la forma del carbono, lo que podría tener enormes implicaciones para el rendimiento del supercondensador, "dijo Hoi Chun Ho, un doctorado candidato que trabaja con Naskar en el Centro Bredesen de Investigación Interdisciplinaria y Educación de Posgrado, una empresa conjunta de ORNL y la Universidad de Tennessee, Knoxville. El equipo también descubrió que alterar la duración de la síntesis afectaba directamente el tamaño y la forma de las esferas.

Para explorar más a fondo las discrepancias entre estructuras de carbono sólidas y huecas, el equipo realizó simulaciones de síntesis en la supercomputadora Cray XK7 Titan en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en ORNL. También utilizaron herramientas de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en el Centro de Ciencias de Materiales en Nanofase (CNMS), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, caracterizar las capacidades y la estructura de las muestras de carbono.

"Queríamos determinar qué tipo de superficie es adecuada para aplicaciones de almacenamiento de energía, y aprendimos que las esferas huecas son más adecuadas, ", dijo el investigador de ORNL Monojoy Goswami de CNMS y la División de Ingeniería y Ciencias de la Computación." Sin estas simulaciones y recursos, no hubiéramos podido alcanzar este entendimiento fundamental ".

Con estos datos, el equipo probó un supercondensador con electrodos hechos de esferas de carbono huecas, que retuvo alrededor del 90 por ciento de capacitancia, la capacidad de almacenar una carga eléctrica, después de 5, 000 ciclos de carga. Aunque los supercondensadores no pueden almacenar tanta energía como las baterías, tienen muchas ventajas sobre las baterías, como una carga más rápida y una vida útil excepcionalmente larga. Algunas tecnologías contienen tanto baterías para proporcionar energía diaria como supercondensadores para proporcionar soporte adicional durante los picos de demanda de energía.

"Las baterías a menudo son compatibles con teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos, pero los supercondensadores pueden ser útiles para muchas aplicaciones de alta potencia, "Ho dijo". Por ejemplo, si un vehículo está subiendo una colina empinada con muchos pasajeros, la tensión adicional puede hacer que el supercondensador se active ".

El camino desde el azúcar residual hasta las esferas huecas de carbono y los supercondensadores demuestra un nuevo potencial para los subproductos de las biorrefinerías que no se habían explotado anteriormente. Los investigadores están planificando proyectos para encontrar y probar otras aplicaciones para materiales de carbono derivados del azúcar residual, como el refuerzo de compuestos poliméricos con fibras de carbono.

"El carbono puede servir para muchos propósitos útiles además de mejorar los supercondensadores, Ho dijo. "Hay más trabajo por hacer para comprender completamente la evolución estructural de los materiales de carbono".

El uso de corrientes de desechos también podría ayudar a los científicos a buscar formas de energía sostenible a una escala más amplia. Según el equipo de ORNL, Las biorrefinerías pueden producir combinaciones beneficiosas de energía renovable y productos químicos, pero aún no son lo suficientemente rentables para competir con las fuentes de energía tradicionales. Sin embargo, los investigadores anticipan que el desarrollo de materiales útiles a partir de desechos podría ayudar a mejorar la eficiencia y reducir los costos, hacer que los productos de estas instalaciones sean alternativas viables al petróleo y otros combustibles fósiles.

"Nuestro objetivo es utilizar la energía residual para aplicaciones ecológicas, "Dijo Goswami." Eso es bueno para el medio ambiente, para la industria de la biorrefinería, y para el comercio ".