As instalações de biorrefinaria são essenciais para alimentar a economia - convertendo aparas de madeira, grama cortada, e outros materiais biológicos em combustíveis, aquecer, potência, e produtos químicos.

Uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) descobriu agora uma maneira de criar materiais funcionais a partir dos açúcares residuais impuros produzidos nos processos de biorrefino.

Usando carbonização hidrotérmica, uma técnica de síntese que converte biomassa em carbono sob condições de alta temperatura e pressão, a equipe transformou resíduos de açúcar em materiais esféricos de carbono. Essas esferas de carbono podem ser usadas para formar supercapacitores melhorados, que são dispositivos de armazenamento de energia que ajudam tecnologias de energia, incluindo smartphones, veículos híbridos, e sistemas de alarme de segurança. Os resultados da equipe são publicados em Relatórios Científicos , uma Natureza jornal de pesquisa.

"A descoberta significativa é que encontramos uma maneira de pegar o açúcar das plantas e de outra matéria orgânica e usá-lo para fazer estruturas diferentes, "disse Amit Naskar, pesquisador sênior na Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL. "Conhecer a física por trás de como essas estruturas se formam pode nos ajudar a melhorar os componentes do armazenamento de energia."

Ao modificar o processo de síntese, os pesquisadores criaram duas variedades das novas esferas de carbono. A combinação de açúcar e água sob pressão resultou em esferas sólidas, enquanto a substituição da água por uma substância de emulsão (um líquido que usa produtos químicos para combinar óleo e água) normalmente produzia esferas ocas.

"Apenas substituindo este outro líquido por água, podemos controlar a forma do carbono, o que pode ter enormes implicações para o desempenho do supercapacitor, "disse Hoi Chun Ho, um Ph.D. candidato trabalhando com Naskar no Centro Bredesen para Pesquisa Interdisciplinar e Educação de Pós-Graduação, uma joint venture da ORNL e da Universidade do Tennessee, Knoxville. A equipe também descobriu que alterar a duração da síntese afetou diretamente o tamanho e a forma das esferas.

Para explorar ainda mais as discrepâncias entre as estruturas de carbono sólidas e ocas, a equipe executou simulações de síntese no supercomputador Cray XK7 Titan no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um DOE Office of Science User Facility localizado em ORNL. Eles também usaram ferramentas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e espalhamento de raios-X de baixo ângulo (SAXS) no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos (CNMS), outro DOE Office of Science User Facility, para caracterizar as capacidades e estrutura das amostras de carbono.

"Queríamos determinar que tipo de área de superfície é boa para aplicações de armazenamento de energia, e aprendemos que as esferas ocas são mais adequadas, "disse o pesquisador do ORNL Monojoy Goswami do CNMS e da Divisão de Engenharia e Ciência da Computação." Sem essas simulações e recursos, não teríamos sido capazes de chegar a esse entendimento fundamental. "

Com esses dados, a equipe testou um supercapacitor com eletrodos feitos de esferas ocas de carbono, que reteve cerca de 90 por cento da capacitância - a capacidade de armazenar uma carga elétrica - após 5, 000 ciclos de carga. Embora os supercapacitores não possam armazenar tanta energia quanto as baterias podem armazenar, eles têm muitas vantagens sobre as baterias, como carregamento mais rápido e tempos de vida excepcionalmente longos. Algumas tecnologias contêm baterias para fornecer energia diária e supercapacitores para fornecer suporte adicional durante as demandas de energia de pico.

"As baterias geralmente suportam smartphones e outros dispositivos eletrônicos sozinhos, mas os supercapacitores podem ser úteis para muitas aplicações de alta potência, "Ho disse." Por exemplo, se um veículo estiver subindo uma colina íngreme com muitos passageiros, a tensão extra pode fazer com que o supercapacitor entre em ação. "

O caminho do açúcar residual para as esferas ocas de carbono e supercondensadores demonstra um novo potencial para subprodutos anteriormente inexplorados de biorrefinarias. Os pesquisadores estão planejando projetos para encontrar e testar outras aplicações para materiais de carbono derivados de resíduos de açúcar, como o reforço de compósitos poliméricos com fibras de carbono.

"O carbono pode servir a muitos propósitos úteis, além de melhorar os supercapacitores, "Disse Ho." Há mais trabalho a ser feito para entender completamente a evolução estrutural dos materiais de carbono. "

O uso de fluxos de resíduos também pode ajudar os cientistas a buscar formas de energia sustentável em uma escala mais ampla. De acordo com a equipe ORNL, as biorrefinarias podem produzir combinações benéficas de energia renovável e produtos químicos, mas ainda não são lucrativas o suficiente para competir com as fontes de energia tradicionais. Contudo, os pesquisadores prevêem que o desenvolvimento de materiais úteis a partir de resíduos pode ajudar a melhorar a eficiência e reduzir custos, tornando as saídas dessas instalações alternativas viáveis ​​ao petróleo e outros combustíveis fósseis.

"Nosso objetivo é usar energia residual para aplicações verdes, "Goswami disse." Isso é bom para o meio ambiente, para a indústria de biorrefinaria, e para o comércio. "