Biocombustibles Biomasa Energía Renovable Estados Unidos

Los estudios de síntesis transforman el azúcar residual para aplicaciones de almacenamiento de energía sostenible.


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


Elizabeth Rosenthal, Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Un equipo de investigación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) descubrió una forma de crear materiales funcionales a partir de los azúcares de residuos impuros producidos en los procesos de biorrefinización.

Utilizando la carbonización hidrotérmica, 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 de carbono esférico. Estas esferas de carbono podrían usarse para formar supercapacitores mejorados, que son dispositivos de almacenamiento de energía que ayudan a las tecnologías de energía, incluidos teléfonos inteligentes, vehículos híbridos y sistemas de alarma de seguridad. Los resultados del equipo se publican en Scientific Reports , una revista de investigación de Nature .

«El hallazgo significativo es que encontramos una manera de tomar azúcar de las plantas y otra materia orgánica y usarlo para hacer diferentes estructuras», dijo Amit Naskar, investigador principal de 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».

Al modificar el proceso de síntesis, los investigadores crearon dos variedades de las nuevas esferas de carbono. La combinación de azúcar y agua a presión dio lugar a esferas sólidas, mientras que la sustitución del agua con una sustancia de emulsión (un líquido que utiliza sustancias químicas para combinar aceite y agua) generalmente produce esferas huecas.

«Solo sustituyendo el agua por este otro líquido, podemos controlar la forma del carbono, lo que podría tener enormes implicaciones para el rendimiento del supercapacitor», dijo Hoi Chun Ho, Ph.D. candidato que trabaja con Naskar en el Centro Bredesen para la Investigación Interdisciplinaria y Educación para Graduados, 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 las estructuras de carbono sólidas y huecas, el equipo realizó simulaciones de síntesis en la supercomputadora Cray XK7 Titan en la Instalación de computación de liderazgo de Oak Ridge (OLCF), una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en ORNL. También utilizaron herramientas de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) en el Centro de Nanophase Materials Sciences (CNMS), otra instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, para caracterizar las capacidades y la estructura de las muestras de carbono. .

«Queríamos determinar qué tipo de área de superficie es buena para las aplicaciones de almacenamiento de energía , y aprendimos que las esferas huecas son más adecuadas», dijo Monojoy Goswami, investigador de ORNL 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 supercapacitador con electrodos hechos de esferas de carbono huecas, que conservaban alrededor del 90 por ciento de capacidad (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 pueden almacenar, tienen muchas ventajas sobre las baterías, como una carga más rápida y una vida útil excepcionalmente larga. Algunas tecnologías contienen ambas baterías para proporcionar energía diaria y supercapacitores para proporcionar soporte adicional durante las demandas de potencia máxima.

«Las baterías a menudo son compatibles con los teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos solos, pero los supercapacitores pueden ser útiles para muchas aplicaciones de alta potencia», dijo Ho. «Por ejemplo, si un vehículo está subiendo una cuesta empinada con muchos pasajeros, la tensión adicional puede hacer que el supercapacitador actúe «.

El camino desde el azúcar residual a las esferas de carbono huecas y los supercapacitores demuestra un nuevo potencial para los subproductos no explotados de las biorrefinerías. Los investigadores están planificando proyectos para encontrar y probar otras aplicaciones para materiales de carbono derivados de azúcar residual, como el refuerzo de compuestos de polímeros con fibras de carbono.

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

Hacer uso de flujos de residuos también podría ayudar a los científicos a buscar formas de energía sostenible en 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, haciendo 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».

Más información: Hoi Chun Ho et al. Modificación de la estructura del carbono renovable a partir de flujos de desechos de biorrefinería para aplicaciones de almacenamiento de energía, Informes científicos (2018). DOI: 10.1038 / s41598-018-25880-0 

Referencia del diario: Informes científicos Naturaleza.  

Proporcionado por: Laboratorio Nacional Oak Ridge

Información de: phys.org


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