Wissenschaftler enträtseln weltweit erstmals die Porosität von Pflanzenkohle

Bahnbrechende Arbeiten ebnen den Weg für Umweltanwendungen und den Zugriff auf Ergebnisse aus riesigen Datenmengen

In einem Durchbruch, der für Umweltanwendungen von Bedeutung sein könnte, haben Forscher die Porosität von Pflanzenkohle über „beispiellose“ Betriebs Experimente unter Nutzung der Einrichtungen des britischen nationalen Synchrotrons Diamond Light Source.

Die Arbeit – durchgeführt von Dr. Roberto Volpe und seinem Team an der Queen Mary University of London und dem University College London, in Zusammenarbeit mit Diamond – überwindet bestehende Wissenslücken in der thermochemischen Zersetzung von Biomasse und könnte die Produktion maßgeschneiderter Bio- Chars für Umweltanwendungen mit hoher Priorität. Neben anderen Bereichen kann Pflanzenkohle eine wichtige Rolle bei Aufräumarbeiten an Orten spielen, an denen gefährliche Chemikalien in Boden und Wasser verschüttet wurden.

Mit Unterstützung durch ein europäisches Horizon 2020-Stipendium namens ExPaNDs – European Open Science Cloud (EOSC) Photon and Neutron Data Service – hat Diamond mit Dr. Volpe an einer neuen, datenintensiven Technik gearbeitet, die am Synchrotron verwendet wird, um den Zugang zu Ergebnissen zu beschleunigen.

Die aktuelle Forschung von Dr. Volpe umfasst die Untersuchung und Identifizierung von Kohle, die aus roher Biomasse von Mandel- und Walnussschalen hergestellt wird, da ihre Porosität der Schlüssel zu Umweltanwendungen ist. Die Möglichkeit, die Morphologie dieser Kohle anzupassen, könnte einen großen Durchbruch bedeuten, um globale Herausforderungen anzugehen, indem kostengünstige und erneuerbare Lösungen für Energiespeicherung, Katalyse, Wasser- und Bodensanierung geschaffen werden. Die Verfolgung der Morphologie von Biomasse während der Pflanzenkohleproduktion ist der erste Schritt, um dies zu erreichen.

Beobachtung eines uralten Prozesses
„Was wir tun, ist einfach, da wir Mandel- und Walnussschalen nehmen und sie einer Pyrolyse unterziehen, um eine verkohlte Biomasse zu erzeugen – die Untersuchung der Karbonisierung von Biomasse spiegelt im Wesentlichen Techniken wider, die bis zu den Anfängen der Menschheit zurückreichen, indem Holz in Holzkohle umgewandelt wird. In unserer Studie wird der Prozess jedoch auf Schritt und Tritt überwacht, und was uns interessiert, ist die Porosität, die entsteht. Durch genaues Erhitzen können wir bis zu mehr als tausend Quadratmeter zugängliche Oberfläche in dem komplizierten Porennetzwerk in einem einzigen Gramm gebildeter Biokohle formen.“

Er fügt hinzu: „Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten für diese Arbeit, da Verunreinigungen (Bakterien, Metalle, Schadstoffmoleküle) oder Ionen (im Fall der Energiespeicherung) durch Wasser (oder durch einen Elektrolyten) in das Porennetzwerk innerhalb der Partikel transportiert werden können sie können dort gefangen werden. Die Verfolgung der Entwicklung dieses Porennetzwerks beim Erhitzen der Biomassepartikel ist der Schlüssel und die eigentliche Neuheit dieser Arbeit.“

Zusätzlich zur traditionellen Strahlzeit bei Diamond hat Dr. Volpe auf der Datenseite des ExPaNDs-Zuschusses zusammengearbeitet, um neue Prozesse zu entwickeln, um den Zugriff auf Daten zu beschleunigen.

Dr. Volpe sagt, dass die helfende Hand, die er beim Analysieren seiner Daten vom ExPaNDs- und Diamond-Team erhielt, seine Forschung beschleunigte. Er kommentierte, dass Data Mining dieser riesigen Datensätze eine neue Disziplin sei und eine umfassende Zusammenarbeit erfordere.

„Der Austausch von so großen und komplexen Informationsmengen ist eine Herausforderung, und die ExPaNDS-Förderung hat dazu beigetragen, bessere Wege zur Bereitstellung von Datenmanagement zu finden, was wirklich nützlich ist, um Ergebnisse und Transparenz zu beschleunigen.“

Dr. Paul Quinn, Wissenschaftsgruppenleiter für Diamant, erklärt; „Bildgebungsverfahren bei Diamond ermöglichen es dem Team, die Struktur des festen Partikels mit genügend Details zu visualisieren, um kleine Lücken oder Poren zu untersuchen und alle Änderungen im Laufe der Zeit und bei Temperaturschwankungen zu verfolgen. Das bedeutet, dass wir viele Details über die Entwicklung dieser Poren und ihre komplizierte Geometrie extrahieren können. Dieses Ergebnis gibt Aufschluss über das grundlegende Verhalten thermisch behandelter Biomasse und ermöglicht es Dr. Volpe und seinem Team gleichzeitig, die Partikel- und Porengeometrie auf einzigartige Weise mit der Temperatur zu korrelieren.“

Er fügt hinzu: „Dies ist eine großartige Leistung, die durch das Engagement der Wissenschaftler in meinem Team ermöglicht wurde. Dr. Christoph Rau und die vielen anderen, die zu den komplexen Messungen beigetragen und sie unterstützt haben, von der Beratung zur Durchführbarkeit der Experimente über den experimentellen Aufbau des Ofens zur Schaffung der richtigen Umgebung und optimalen Röntgenbildgebungsbedingungen bis hin zur Gewinnung der Fülle der generierten Daten. ”

FAIRen Zugang zu großen Datensätzen sicherstellen
Da jedes Jahr Petabytes an Daten in Synchrotrons produziert werden, ist die Notwendigkeit der Zusammenarbeit und eines koordinierten Ansatzes mit diesen riesigen Datensätzen ein Problem, mit dem die meisten Wissenschaftler und Forscher konfrontiert sind, insbesondere diejenigen, die in Großanlagen in Großbritannien und Europa arbeiten. Um den Wert dieser Daten zu steigern, müssen sie Schlüsselprinzipien folgen, um letztendlich auffindbar, zugänglich, interoperabel und wiederverwendbar (FAIR) zu sein. Diese Prinzipien werden dazu beitragen, Daten schließlich für alle zugänglich zu machen. Ein Hauptziel von ExPaNDS ist es, das Auffinden und Teilen von Forschungsdaten zu erleichtern, was dazu beitragen wird, die Wiederholung von Experimenten zu verhindern, den wissenschaftlichen Fortschritt anzukurbeln und Synchrotrondaten FAIR zu machen. Ein zweites Ziel von ExPaNDS ist die Bereitstellung von Richtlinien zur Verwaltung von Daten, um die gemeinsame Nutzung und Wiederverwendung zu unterstützen.

Das ExPaNDS-Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen 10 nationalen Photonen- und Neutronenforschungsinfrastrukturen (PaN RIs). Diese Community deckt praktisch alle Forschungsbereiche mit einer großen Vielfalt an Datenmanagementansätzen ab. Dies macht die Harmonisierung zu einer Herausforderung.

Professor Dr. Helmut Dosch, Vorstandsvorsitzender von DESY, dem führenden Partner im ExPaNDS-Stipendium, sagte: „Wir können heute und in Zukunft noch mehr Lösungen schaffen – Atom für Atom, Sie kennen Materialien, die es können zur Bekämpfung des Klimawandels und von Krankheiten eingesetzt werden. Aber diese Daten, diese Informationen kommen mit einer riesigen Datenlawine auf uns zu, und wir brauchen Konzepte, wie wir diese Daten in nützliche Informationen und Wissen umwandeln können. Es braucht die richtigen Leute; es braucht die richtige Infrastruktur, und es braucht finanzielle Mittel. Aber ich kann jetzt nur sagen, dass Wissen teuer ist, aber Unwissenheit können wir uns nicht leisten.“

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• Quelle: https://envirotecmagazine.com/2023/02/20/scientists-unravel-the-porosity-of-biochars-in-a-world-first/