Ученые превратили отходы производства бурбона в суперконденсаторы с 25-кратным увеличением емкости

В Кентукки, США, барда превращается в электроды. Бум производства бурбона в Кентукки оставляет после себя огромное количество отходов зерна, называемых бардой. Теперь эти отходы перерабатываются в материал для хранения энергии, который может стать частью будущей коммерческой электроники.

Исследователи из Университета Кентукки представят это экологичное решение на весенней конференции Американского химического общества в 2026 году. 

Этот проект предлагает альтернативу побочному продукту, утилизация которого на винокурнях в настоящее время является сложной и дорогостоящей задачей.

Это показывает, что побочные продукты переработки бурбона могут использоваться для производства суперконденсаторов с превосходной емкостью хранения по сравнению с существующими коммерческими моделями.

«Из конечного объема произведенного бурбона остается в 6-10 раз больше отходов, чем обычно. Поэтому это очень важно», — сказал Барриос Коссио, аспирант, участвующий в проекте. 

Процесс преобразования

Для разработки высокоэффективных суперконденсаторов в качестве устойчивого источника углерода растительного происхождения для электродных материалов была выбрана барда  из-под бурбона .

Хотя были исследованы и другие растительные волокна, эта команда первой смогла использовать уникальные зерновые характеристики отходов производства бурбона.

Барда — это тяжелый, богатый влагой побочный продукт, который обычно трудно транспортировать или дорого сушить для использования в качестве корма для животных. 

Вместо того чтобы бороться с влагой, в новом исследовании использовалась жидкая консистенция затора для оптимизации производства высокоценных углеродных материалов.

Этап сушки был полностью исключен благодаря использованию гидротермальной карбонизации — процесса, аналогичного приготовлению пищи под высоким давлением. 

Для успеха требовалось нечто большее, чем просто химия. 

Исследователи потратили несколько месяцев на налаживание партнерских отношений с винокурнями в Кентукки, Иллинойсе и Канаде, чтобы получить доступ к образцам, необходимым для их увлекательных экспериментов по хранению энергии.

С помощью 10-литрового реактора, используя нагрев и давление, влажная барда превратилась в мелкий черный порошок, который затем был очищен в печи на два различных материала.

Затем порошок нагревали до 200 °C (392 °F) для образования твердого углерода, чья неупорядоченная структура идеально подходит для улавливания ионов лития с целью повышения эффективности накопления энергии.

В качестве альтернативы, добавив гидроксид калия и нагрев его до 800 °C (1472 °F), они получили активированный уголь — высокопористый материал с огромной внутренней поверхностью, способной удерживать электрический заряд.

В 25 раз больше энергии

Результаты экспериментов были подтверждены путем создания двух типов устройств хранения размером с монету с использованием углерода, полученного из отходов переработки руды.

Во-первых, двухслойные конденсаторы с электродами из активированного угля соответствовали действующим коммерческим стандартам, достигнув плотности энергии 48 Вт·ч/кг. 

Однако настоящий прорыв произошел благодаря их гибридным литий-ионным суперконденсаторам. Они состояли из твердого углеродного электрода, похожего на электрод батареи, и активированного углеродного электрода, аналогичного электроду конденсатора. 

В результате получилось устройство, сочетающее высокую скорость разряда с огромной емкостью хранения, способное удерживать до 25 раз больше энергии на килограмм, чем традиционные аналоги.

Этот проект знаменует собой редкую веху в материаловении, поскольку в нем используется один и тот же источник сельскохозяйственных отходов для производства обоих типов электродов , необходимых для высокоэффективного гибридного устройства. 

Доказав эффективность концепции в небольших масштабах, исследователи теперь переходят к коммерциализации, сосредоточившись на масштабировании технологии для поддержки крупномасштабной стабилизации электросетей. 

В ближайшие сроки планируется провести тщательный анализ жизненного цикла и экономической целесообразности, чтобы гарантировать, что преобразование отходов спиртового производства в системы хранения энергии будет одновременно устойчивым, экономически эффективным и инновационным.

Источник: https://interestingengineering.com/science/us-bourbon-waste-electrodes-supercapacitors