新しい?古い?プロセスがセルロースをエネルギー貯蔵デバイスに変える

新しい?古い?プロセスがセルロースをエネルギー貯蔵デバイスに変える

オレゴン州立大学の科学者による基本的な化学的発見に基づいて、木材はエネルギー貯蔵デバイスを作る上ですぐに主要な役割を果たす可能性があります。

OSUの化学者は、地球上で最も豊富な有機ポリマーであり、樹木の重要な成分であるセルロースが、アンモニアの存在下で炉内で加熱され、スーパーキャパシティの構成要素になることを発見しました。

これらのスーパーキャパシティは、エレクトロニクスから自動車、航空に至るまで、幅広い産業用途を備えた並外れた高出力エネルギーデバイスです。 しかし、それらの広範な使用は、主にコストと高品質のカーボン電極の製造の難しさによって妨げられてきました。

オレゴン州で発見されたばかりの新しいアプローチは、スーパーキャパシティの電極である窒素をドープしたナノ多孔質炭素膜を、環境に優しいプロセスで、低コストで、迅速に製造できます。 唯一の副産物はメタンであり、これはすぐに燃料として、または他の目的に使用できます。

「このプロセスの容易さ、速度、可能性は本当にエキサイティングです」と、OSU科学大学の准教授Xiulei Ji氏らがまとめた論文はアメリカ化学会のNano Lettersで公開されています 。この研究はOSUによって資金提供されました。

「セルロースとアンモニアを反応させ、これらのNドープナノポーラスカーボン膜を作成できることを初めて証明しました」とJi氏は語りました。 「このような基本的な反応がこれまで報告されていなかったことは驚くべきことです。産業用途があるだけでなく、これはまったく新しい科学分野を開き、炭素活性化のための還元ガス剤を研究しています。

「我々は安価な木材を取り、それを価値あるハイテク製品に変えるつもりだ」と彼は言った。

ナノスケールのこれらの炭素膜は非常に薄く、1グラムで約2,000平方メートルの表面積を持つことができます。 それは、スーパーキャパシティでそれらを有用にするものの一部です。 そして、これを行うために使用される新しいプロセスは、高速で安価な単一ステップの反応です。 セルロースフィルターペーパーのようなシンプルなものから始まります。概念的には、コーヒーメーカーの使い捨てペーパーフィルターに似ています。

高熱とアンモニアにさらされると、セルロースがスーパーキャパシティに必要なナノ多孔性炭素材料に変換され、以前よりも安価に大量に製造できるようになります。

スーパーキャパシタはエネルギー貯蔵デバイスの一種ですが、バッテリーよりもはるかに速く再充電でき、より多くの電力を持っています。それらは、急速な電力貯蔵と短いが強力なエネルギー放出が必要なあらゆるタイプのデバイスで主に使用されます。

スーパーキャパシティは、コンピューターやデジタルカメラのフラッシュなどの家電で使用できます。重工業での用途があり、クレーンからフォークリフトまであらゆるものに電力を供給できます。スーパーキャパシティは、ブレーキ操作などで無駄になる可能性のあるエネルギーを取り込むことができます。そして、それらのエネルギー貯蔵能力は、風力エネルギーなどの代替エネルギーシステムからの電力の流れを「滑らかにする」のに役立ちます。

除細動器に電力を供給し、航空機の緊急スライドを開き、ハイブリッド電気自動車の効率を大幅に向上させることができます。

スーパーキャパシティに加えて、ナノポーラスカーボン材料は、ガス汚染物質の吸着、環境フィルター、水処理、その他の用途にも応用できます。

「スーパーキャパシティの用途は世界中に数多くありますが、現在のところ、この分野はコストに制約されています」とJi氏は述べています。 「この非常に高速でシンプルなプロセスを使用して、これらのデバイスをはるかに安価にすれば、大きなメリットがあります。」

Wei Luo et al.

Pyrolysis of Cellulose under Ammonia Leads to Nitrogen-Doped Nanoporous Carbon Generated through Methane Formation,
DOI:pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl500859p

 

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