变废为宝：科学家成功利用废糖转化合成功能材料

生物炼制设施对于推动经济增长至关重要，其主要作用是将木屑、草屑和其他生物材料转化为燃料、热量、动力和化学物质。

目前，美国能源部( DOE )橡树岭国家实验室的一个研究小组发现了一种利用生物精炼过程中产生的不纯废糖制造功能材料的方法。

该团队利用水热碳化这种在高温高压条件下将生物质转化为碳的合成技术，将废糖转化为球形碳材料。这些碳球可以用来形成改进的超级电容器，超级电容器是一种能量存储设备，可以实现对智能手机、混合动力汽车和安全警报系统等的技术供电。该项研究结果发表在自然研究杂志《科学报告》上。

ORNL材料科学和技术部门的高级研究员Amit Naskar表示:“我们找到了一种从植物和其他有机物中提取糖并利用它来制造不同结构的方法。了解这些结构形成背后的物理原理有助于我们改善能量储存的组成部分。”

通过改进合成过程，研究人员创造了两种新的碳球。在压力下将糖和水混合会产生固体球，而用乳液物质(一种使用化学物质将油和水混合的液体)代替水通常会产生空心球。

在Bredesen跨学科研究和研究生教育中心（该研究中心是ORNL和田纳西大学诺克斯维尔分校的合资企业。）工作的博士候选人Hoi Chun Ho称：“只要用水代替这种液体，我们就可以控制碳的形状，从而可能对超级电容器的性能产生巨大影响。”研究小组还发现，改变合成的持续时间会直接影响球体的大小和形状。

为了进一步探索实心碳结构和空心碳结构之间的差异，研究小组在位于ORNL的美国能源部科学用户设施办公室Oak Ridge leading Computing Facility ( OLCF )的Cray XK7 Titan超级计算机上运行了合成模拟。他们还在纳米材料科学中心( CNMS )使用透射电子显微镜( TEM )和小角度X射线散射( SAXS )工具来表征碳样品的性能和结构，该中心是美国能源部科学用户机构的另一个办公室。

“我们想确定什么样的表面积对能量储存应用有利，我们了解到空心球更适合，”美国国家科学和工程研究院和计算机科学与工程部门的ORNL研究员MonojoyGoswami说，“没有这些模拟和资源，我们就无法达成这一基本理解。”

利用这些数据，研究小组测试了一个超级电容器，该超级电容器带有由空心碳球制成的电极，在5000次充电循环后，该电极保留了大约90 %的电容——储存电荷的能力。虽然超级电容器不能像电池一样储存那么多能量，但是它们比电池有很多优点，比如充电速度更快，寿命更长。而且将一些技术既包含提供日常能量的电池，也包含在峰值功率需求期间提供额外支持的超级电容器。

“电池一般只能支持智能手机和其他电子设备的使用，但是超级电容器对于许多大功率应用来说非常有用，”Ho说，“例如，如果一辆车开着许多乘客登上陡峭的山坡，额外的压力可能会导致超级电容器启动。”

从废糖到空心碳球再到超级电容器的路径展示了生物精炼厂以前未开发副产品的新潜力。研究人员正在计划寻找和测试从废糖中提取的碳材料的其他应用，例如用碳纤维增强聚合物复合材料。

Ho说：“除了改进超级电容器之外，碳还由许多其他有用的目的，要全面了解碳材料的结构演变，还有更多的工作要做。”

利用废物流也有助于科学家在更大范围内追求各种形式的可持续能源。根据ORNL团队的说法，生物炼制可以产生可再生能源和化学物质的有益组合，但是还没有盈利到足以与传统能源竞争的程度。然而，研究人员预计，从废物中开发的有用材料不仅有助于提高效率和降低成本，而且还能使这些设施的产出成为石油和其他化石燃料的可行替代品。

Goswami满怀信心的表示：“我们的目标是将废弃能源用于绿色应用，这项事业对环境、生物炼制工业和商业都有好处。”

文章来自phys.org，原文题目为Synthesis studies transform waste sugar for sustainable energy storage applications，由材料科技在线汇总整理。