Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

In situ fabricage van actieve kool uit een bioafval Desmotachya bipinnata voor verbeterde supercondensatorprestaties

Abstract

Hierin demonstreren we de fabricage van zeer capacitieve actieve kool (AC) met behulp van een bio-afval Kusha-gras (Desmotachya bipinnata ), door gebruik te maken van een chemisch proces gevolgd door activering via KOH. De als-gesynthetiseerde actieve kool met weinig lagen is bevestigd door middel van röntgenpoederdiffractie, transmissie-elektronenmicroscopie en Raman-spectroscopietechnieken. De chemische omgeving van het voorbereide monster is toegankelijk via FTIR en UV-zichtbare spectroscopie. Het oppervlak en de porositeit van het gesynthetiseerde materiaal zijn verkregen via de Brunauer-Emmett-Teller-methode. Alle elektrochemische metingen zijn uitgevoerd door middel van cyclische voltammetrie en galvanometrische laad-/ontlaadmethode (GCD), maar we concentreren ons in de eerste plaats op GCD vanwege de nauwkeurigheid van de techniek. Bovendien vertoont het als gesynthetiseerde AC-materiaal een maximale specifieke capaciteit als 218 F g −1 in het potentiële venster variërend van − 0,35 tot + 0,45 V. Ook vertoont de wisselstroom een ​​uitstekende energiedichtheid van  ~ 19,3 Wh kg −1 en vermogensdichtheid van  ~ 277.92 W kg −1 , respectievelijk, in hetzelfde operationele potentiaalvenster. Het heeft ook een zeer goed capaciteitsbehoud laten zien, zelfs na 5000e cycli. De gefabriceerde supercondensator vertoont respectievelijk een goede energiedichtheid en vermogensdichtheid en een goed behoud van de capaciteit bij opmerkelijk hogere laad- / ontlaadsnelheden met uitstekende fietsstabiliteit. Voortaan is van bioafval Kusha gras afgeleide actieve kool (DP-AC) veelbelovend en kan het worden toegepast in supercondensatortoepassingen vanwege zijn uitstekende elektrochemische eigenschappen. Hierin stellen we ons voor dat onze resultaten een eenvoudige en innovatieve benadering illustreren om een ​​bio-afval Kusha gras-afgeleide actieve kool (DP-AC) te synthetiseren als een opkomend supercapacitor-elektrodemateriaal en de praktische toepassing ervan in elektrochemische energieopslagvelden te verbreden.

Inleiding

In de afgelopen jaren is er veel aandacht besteed aan de ontwikkeling van veelbelovende modellen voor duurzame energieopslag, inclusief conversie- en opslagapparaten om aan de wereldwijde energiebehoeften te voldoen [1,2,3]. Energieopslagapparaten zoals batterijen en supercondensatoren spelen een zeer belangrijke, efficiënte en betaalbare rol bij de opwekking van hernieuwbare en duurzame energiebronnen en zijn levensvatbare alternatieven voor traditionele niet-hernieuwbare opties. Supercondensatoren zijn naar voren gekomen als meest veelbelovende apparaten voor duurzame energieopslag vanwege de lange levensduur, hoge vermogensdichtheid en ultrasnelle oplaad-/ontlaadtijd [4,5,6,7,8]. Bovendien is door het ontluikende onderzoeksgebied van op koolstof gebaseerde nanomaterialen zoals grafeen, nanobuisjes, nanodots en kwantumdots, de intensieve ontwikkeling van supercapacitor-energieopslagapparaten ook toegenomen [9,10,11]. Studies tonen aan dat veel onderzoek is gericht op de synthese van materialen en hun composieten met andere hybriden die een hoge capaciteit, een breed potentiaalvenster, een lagere impedantie en een goede capacitieve retentie vertonen [12]. Ook heeft de fabricage van elektroden veel aandacht getrokken met een hoge massabelading van geactiveerd materiaal en een massa-tot-stroomcollectorverhouding [13, 14].

Supercondensatoren op basis van koolstofmaterialen zijn uitgebreid bestudeerd en bieden brede potentiële vensters die leiden tot de hoge energiedichtheid in de aanwezigheid van organische elektrolyten [15, 16]. Daarom vertonen op koolstof gebaseerde supercondensatoren een hoge weerstand en een lage capaciteit. Maar organische elektrolyten zijn giftig, ontvlambaar en relatief duur [15]. Koolstofnanobuizen, grafeen, enz., zijn tot op zekere hoogte exorbitant voor de bereidingsmethoden en beschikbaarheid van oermaterialen en beperken hun grootschalige toepassingen. Daarom is er onderzoek gedaan naar verschillende wijzigingen voor verschillende koolstofmaterialen om het potentiële venster, de supercapaciteitsprestaties en de lagere impedantie te vergroten met een milieuvriendelijke, kosteneffectieve en gebruiksvriendelijke methode [17, 18].

Actieve kool met een groot oppervlak, voldoende functionele associaties en voldoende porositeit is de afgelopen decennia uitgebreid gebruikt voor adsorptie, gasopslag, gasscheiding, katalysatordrager, oplosmiddelontkleuring, oplosmiddelterugwinning, elektroden en supercondensatoren. De poreuze structuur en andere eigenschappen zoals groot oppervlak, porievolume, aanwezigheid van verschillende soorten functionele groepen en verdeling van poriegroottes spelen een cruciale rol in de absorptiegerelateerde toepassingen van de actieve kool [18]. Afhankelijk van de poriegrootte kan actieve kool in verschillende toepassingsgebieden worden gebruikt, zoals microporiën die worden gebruikt bij de adsorptie van het kleinere molecuul, terwijl mesoporiën uitgebreid worden gebruikt bij de adsorptie van de grotere moleculen [19, 20].

Veel factoren beïnvloeden de eigenschappen van de actieve kool, zoals grondstoffen, syntheseroute, activeringsreagens en omgevingsomstandigheden tijdens het activeringsproces. AC wordt gesynthetiseerd door gebruik te maken van verschillende syntheseroutes en voorlopers die bioafval/van nature beschikbaar zijn, zoals kokosnootschalen [21], neem [22], maïszetmeel [23], gerecycled oud papier [24], schrootbanden [25], en bananenvezel [26]. AC wordt voornamelijk gesynthetiseerd door fysieke en chemische activeringsprocessen [19]. Gewoonlijk omvat de eerste voornamelijk carbonisatie en verdere activering in een inerte atmosfeer of de aanwezigheid van gas zoals CO2 of oxidatiemiddelen [27], terwijl het chemische activeringsproces eerst de ontwikkeling van de poreuze structuren omvat door het toevoegen van activeringsmiddelen zoals ZnCl2 , NaOH, H3 PO4 en KOH [12, 28,29,30]. Volgens studies, ZnCl2 is niet een veel te verkiezen actieve stof vanwege milieuproblemen en incompetente recuperatie. Daarom is de AC geactiveerd via ZnCl2 is niet geschikt geweest voor farmaceutische en agro-food industriële doeleinden, omdat ze de resultaten waarschijnlijk besmetten [20]. Naast andere chemische reagentia is KOH op grote schaal gebruikt omdat het resulteert in AC's met een groot oppervlak en goed gedefinieerde poriën. Gonzalez et al. rapporteerde de KOH-activering van kersenpitten resulterend in microporeuze AC's met grote capaciteiten [31]. Yushin et al. synthetiseerde de op houtzaagsel gebaseerde AC's door hydrothermische carbonisatie, gevolgd door activering door KOH, en bestudeerde de supercondensatorprestaties [32]. Ranganathan et al. illustreerde de synthese van AC's uit oud papier met KOH als activeringsmiddel. Het vertoont een specifieke capaciteit van 180 F g −1 in de KOH-elektrolyt [24]. Hij et al. gebruikte een snelle microgolfverwarmingstechniek om AC's uit cokes te synthetiseren en bestudeerde de KOH-cokes-massaverhouding en activeringstijd [33]. De activeringsmiddelen spelen een cruciale rol tijdens het proces, zoals dehydratatiemiddelen die de voortgang van verschillende tussenproducten voorkomen. Het verhoogt ook de dichtheid van poreuze structuren en vermindert de activeringstijd en temperatuur [24, 34, 35].

In het huidige werk, Kusha gras (Desmotachya bipinnata ) is gebruikt als een milieuvriendelijke, kosteneffectieve en veel koolstofhoudende voorlopers voor de synthese van actieve kool. Om AC te synthetiseren, is een chemisch proces gebruikt waarbij KOH als activeringsmiddel wordt gebruikt vanwege de betere betrouwbaarheid. Het as-gesynthetiseerde AC-materiaal is gekarakteriseerd door middel van UV-zichtbaar, Fourier-transformatie-infrarood en Raman-spectroscopie. Om toegang te krijgen tot de validatie van de structurele kenmerken, is het as-gesynthetiseerde materiaal verder gekarakteriseerd door scanning-elektronenmicroscopie (SEM), energiedispersieve spectroscopie (EDAX), TEM en XRD-technieken. Voor het toepassingsdoel zijn elektrochemische en galvanometrische ladingstechnieken toegepast door een bitmodificatie in de elektrode te volgen met een systeem met drie elektroden. Vanwege de betrouwbaarheid van de GC-techniek is deze gebruikt voor andere berekeningen zoals supercapaciteit, energiedichtheid en stroomdichtheid. Het onthult dat geprepareerde AC uitstekende supercapaciteitseigenschappen vertoont vanwege goed gedefinieerde poreuze kenmerken. Voortaan is deze studie de eerste in zijn soort die zich bezighoudt met de fabricage van zeer capacitieve actieve kool (AC) met behulp van een bioafval Kusha-gras (Desmotachya bipinnata ).

Methoden

Materialen

Kusha-gras (Desmotachya bipinnata; DP) werd verzameld in de botanische tuin van de BHU-campus, Varanasi, India, terwijl kaliumhydroxide (KOH), glasachtige koolstofelektrode (GCE) en aluminiumoxidepoeder werden verkregen van Sigma-Aldrich. Waterige oplossingen die tijdens alle experimenten werden gebruikt, werden bereid met gedeïoniseerd water (DI > 18 MΩ cm −1 , Millipore Q-systeem).

Er zijn verschillende analytische technieken gebruikt om de gesynthetiseerde monsters te karakteriseren. Om toegang te krijgen tot de structurele kenmerken en kristallijne eigenschappen van de gesynthetiseerde actieve kool, werd poederröntgendiffractie uitgevoerd op een PANalytical röntgendiffractometer met behulp van CuKα straling (λ = 1.540 Å) om 2θ ~ 10°–80°. De microstructuren en oppervlaktemorfologieën van het gesynthetiseerde materiaal werden bestudeerd met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM, TECHNAI G 2 bedreven bij 200 kV) en een scanning elektronenmicroscoop (Dual FIB:FEI Nanolab bedreven bij 200 kV). TEM-monster werd bereid door druppelgieten van suspensie van DP-AC-poeder over een met koolstof gecoat rooster gevolgd door ultrasone suspensie in DI-water. Verder werden enkele aanvullende structurele kenmerken van de gesynthetiseerde actieve kool bevestigd door Raman-spectroscopie. Raman-verstrooiingsmeting werd uitgevoerd met een 532 nm He-Ne-laserexcitatie met behulp van een Raman-spectrometer (Renishaw inVia, VK). Bovendien werd de Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectrometer (Bruker ALPHA II) gebruikt om de aanwezigheid van de functionele groepen te onderzoeken die aan het gesynthetiseerde monster waren gehecht. De optische eigenschappen werden geëvalueerd door absorptiespectroscopie met UV-zichtbaar licht, opgenomen door fluorescentielampen (λ = 365 nm) (PerkinElmer, Lambda 25). Het oppervlak en de poriegrootteverdeling van het bereide actieve koolmonster werden gemeten door gebruik te maken van adsorptie/desorptie-analyse van vloeibare stikstof met behulp van een automatische Brunauer-Emmett-Teller (BET) -methode (micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, VS).

Synthese van actieve kool

In het kort werd Kusha-gras (DP) gesneden en verschillende keren voorzichtig gewassen met DI-water totdat het supernatant kleurloos bleek te zijn. DP werd gedurende 5 uur in een oven op 100 ° C gehouden en gedurende 2 uur verder gecarboniseerd in een moffeloven bij 700 ° C. Voor activering werd het gemengd in bewezen KOH (w/w 1:4) met behulp van vijzel-stamper en vervolgens werd het homogene mengsel verzameld. Verder werd het gedurende 2 uur in een argon-omgeving in een buisoven op 700 ° C gehouden. Het mengsel werd verder afgekoeld tot kamertemperatuur en het mengsel zoals ontvangen werd verschillende keren gewassen met DI-water tot de pH een waarde van   ~ -7 bereikte. Uiteindelijk kregen we het product als actieve kool en bewaarden het veilig in een vat voor verdere experimenten en metingen. Het algemene proces wordt geïllustreerd in Afb. 1.

Illustratie van de strategische route voor de synthese van actieve kool uit Kusha-gras (Desmotachya bipinnata )

Elektrodevoorbereiding

Een glasachtige koolstofelektrode (GCE) met een diameter van   ~  0,3 cm werd gepolijst met aluminiumoxidesuspensie (0,05 μm). In de volgende stap werd DI-water gebruikt voor het reinigen van het oppervlak van de GCE. Het werd 3-4 keer gewassen met DI-water en verder 15-20 minuten gesoniceerd in DI-water en ethanol. Voor de afzetting van AC werd 1 mg actief materiaal (AC) opgelost in DI-water (1 ml) en 15 minuten gesoniceerd. Verder werd 10 μL van de bereide oplossing met behulp van een micropipet over GCE gegoten en gedroogd in lamplicht zonder enig contact in de buurt om besmetting te voorkomen.

Elektrochemische tests

Elektrochemische experimenten zijn uitgevoerd op het CHI-660C meerkanaals werkstation met een systeem met drie elektroden met behulp van pt-draad, Ag/AgCl en glasachtige koolstofelektrode als respectievelijk een teller-, referentie- en werkelektrode. Een alkalische 6 M KOH waterige elektrolyt werd toegepast om metingen uit te voeren. Cyclische voltammetrie bij verschillende scansnelheden (10–200 mV s −1 ) werd uitgevoerd met het sweeping-potentiaalvenster van − 0,35 V tot + 0,45 V. De verschillende elektrochemische parameters zijn verkregen met behulp van de volgende vergelijkingen [35,36,37].

De specifieke capaciteit is geëvalueerd als

$$C_{{\text{s}}} =\frac{{I_{{{\text{Avg}}}} }}{\nu \times m}$$ (1)

waarbij \(I_{{{\text{Avg}}}} =I_{\max } - I_{\min }\) en ook m en ν vertegenwoordigen respectievelijk de massa van het laadmateriaal (g) en scansnelheid (v/s). Bovendien, C s heeft een eenheid van F g −1 .

Omdat de galvanometrische lading-ontlaadtechniek (GCD) betrouwbaarder is en nauwkeurigere resultaten geeft, hebben we de GCD-techniek gebruikt voor verdere berekeningen. We hebben de specifieke capaciteit berekend met behulp van de vergelijking

$$C_{{\text{s}}} =\frac{{I \times\Delta t}}{{\Delta V \times m}}$$ (2)

waar ik , t , ∆V , en m vertegenwoordigen de huidige (A ), ontlaadperiode (s ), spanningsvensters (V ), en massa van het laadmateriaal (g ), respectievelijk.

Verder energiedichtheid (E ) en vermogensdichtheid (P ) zijn afgeleid via de vergelijkingen

$$E =\frac{{c_{{\text{s}}} { } \times\Delta V^{{2{ }}} }}{7.2}\quad { }\left( {\text{Wh /kg}} \right)$$ (3) $$P =\frac{E \times 3600 }{{\Delta t}} \quad \left( {{\text{W}}/{\text{kg }}} \right).$$ (4)

Resultaten en discussie

Röntgendiffractie

Om toegang te krijgen tot informatie over de grafitisering van gesynthetiseerd actief koolstofmateriaal, is de XRD-techniek toegepast. Het XRD-profiel (Fig. 2a) toont duidelijk de karakteristieke pieken van actief koolstofmateriaal bij 22° en 43° [38, 39]. De intensiteit en positie van pieken onthullen de lage mate van grafitisering, regelmatigheden van de kristalstructuur en vorming van K2 CO3 (2θ = 36,52 °) als tussenproduct [40,41,42]. Verder kunnen de verkregen karakteristieke pieken worden toegewezen aan de reflectievlakken (002) en (100) voor de DP-AC. De brede piek in het spectrum bepaalt de amorfe koolstof, terwijl de scherpte van de piek die bij 22° wordt toegekend de verhoogde translatievolgorde in het koolstofmonster bij hoge temperatuur laat zien. Deze resultaten bevestigen de succesvolle vorming van gesynthetiseerd AC-materiaal.

een XRD-patroon en b Raman-spectrum van gesynthetiseerde actieve kool

Raman-analyse

Verder is het materiaal gekarakteriseerd door Raman-spectroscopie, een zeer uitgesproken techniek om verschillende koolstofhoudende materialen te karakteriseren. Er zijn twee meest intense pieken waargenomen in het Raman-spectrum van actief koolstofmateriaal op 1346 cm −1 (D-piek) en 1587 cm −1 (G-piek) zoals weergegeven in figuur 2b. De D-piek is het kenmerk van roosterdefecten, randonvolkomenheden, onverzorgde uitlijning en laag-symmetrische grafietstructuur in actief koolstofmateriaal [43], en de tweede piek, dwz G-piek, toont het optreden van C=C-rektrillingen aan [ 10]. Bovendien vertoont het nog twee banden bij hogere golfnummers 2678 cm −1 (2D) en 2840 cm −1 (S3) vanwege de boventoon van koolstof en onthult de aanwezigheid van koolstof met weinig lagen en de grafitische aard van actief koolstofmateriaal [44].

Verder is de mate van grafitisering berekend door middel van de vergelijking

$$R =\frac{{I_{{\text{D}}} }}{{I_{{\text{G}}} }}$$ (6)

waar R , ik D, en ik G vertegenwoordigen de mate van grafitisering, de intensiteit van de D-piek gepositioneerd op 1346 cm −1 , en de intensiteit van de G-piek op 1587 cm −1 , respectievelijk. Na de berekening wordt de waarde van R bleek  ~ 0.84 te zijn, wat tot op zekere hoogte verwijst naar een hogere grafitiseringsindex [10].

Morfologische karakterisering en energie-dispersieve röntgenanalyse (EDX)

Om de microstructurele kenmerken en oppervlaktemorfologie van het gesynthetiseerde materiaal te onderzoeken, zijn scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden zoals weergegeven in Fig. 3a, b geanalyseerd. De morfologie suggereert de aanwezigheid van grote onregelmatige poriën in de as-gesynthetiseerde DP-AC. Het optreden van onregelmatige en ongeordende poriestructuren op het oppervlak verklaart de gewelddadige aanval van reagens KOH. DP-AC-poriën die tijdens pyrolyse zijn ontwikkeld, zijn cruciaal om het oppervlak en het porievolume van de actieve kool te vergroten door de diffusie van KOH-moleculen in de poriën te bevorderen en daardoor de koolstofreactie te vergroten, waarvan hier wordt aangenomen dat deze extra poriën in de AC genereert. De structuur met grote poriëngrootte op het oppervlak van het materiaal van geactiveerde koolstof is gunstig geweest voor toepassingen voor ladingopslag, zoals supercondensatoren. Bovendien is de elementanalyse van het gesynthetiseerde materiaal van actieve kool (Fig. 3c) uitgevoerd via energie-dispersieve röntgenspectroscopische techniek en onthult het bestaan ​​van koolstof-, zuurstof- en kaliumelementen daarin.

een SEM-afbeelding (balkschaal 10 μm), b SEM-afbeelding (balkschaal 2 μm) en c EDAX-profiel van voorbereid monster

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en deeltjesgrootteverdeling

Verder zijn, om meer structurele informatie te verifiëren, kristalkwaliteitsdimensies van het voorbereide monster, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) uitgevoerd. TEM-afbeeldingen leiden de aanwezigheid af van verschillende poriegroottestructuren die kunnen worden gezien als transparante locaties (omcirkeld met gele kleur) in Fig. 4a, b. Bovendien onthult het SAED-patroon de amorfe aard van het actieve koolmateriaal, zoals weergegeven in de inzet van figuur 4a.

een TEM-afbeelding (balkschaal 100 nm) (inzet:SAED-patroon), b TEM-afbeelding met verschillende maten poreuze structuren (schaalverdeling 50 nm) van het gesynthetiseerde materiaal van actieve kool

UV–zichtbaar lichtabsorptie en FTIR-analyse

Het UV-zichtbare absorptiespectrum van het gesynthetiseerde actieve koolmateriaal is geregistreerd en wordt weergegeven in figuur 5a. Het heeft een karakteristieke absorptiepiek bij 264 nm vanwege de elektronische overgangen tussen de binding en antibonding π -orbitalen.

een UV-zichtbaar spectrum en b FTIR-spectrum, van het van Kusha-gras afgeleide as-gesynthetiseerde actieve koolmonster

De chemische oppervlakte-eigenschappen van als gesynthetiseerd geactiveerd koolstofmateriaal zijn geanalyseerd met FTIR-spectroscopie en worden getoond in figuur 5b. Het geeft details over de bijbehorende functionele groepen in het actieve koolmateriaal. Het uiterlijk van een absorptieband op 3115 cm −1 en een kleine piek van 2368,78 cm −1 dankt aan −OH-rektrilling van functionele hydroxylgroepen [10, 45, 46]. De piek op 1624,63 cm −1 is geassocieerd −C=C strekken van de aromatische ringen, die kunnen worden gevormd door de ontleding van C–H-bindingen om een ​​stabielere –C=C-groep te vormen bij een hogere activeringstemperatuur [47]. De sterke absorptiebanden bij 1459,46, 1361,78, 1146,88, 1010,13 en 862,72 cm −1 bevestig de aanwezigheid van –C–C (geconjugeerd met –C=C),  –CH3 trillingen, C–N strekken, C–O strekmodi van ester, en   – C–O symmetrisch strekken [39, 43, 47,48,49] in respectievelijk het as-gesynthetiseerde materiaal van actieve kool. Bovendien is de sterke absorptiepiek bij 706.43 cm −1 attributen voor –C=C buigen in de as-synthesized DP-AC.

BET-analyse

N2 Adsorptie en desorptie isothermen

De porositeit in het koolstofmateriaal is gegenereerd met activering door middel van een reagens KOH tijdens de synthese. De poriestructuur en het oppervlak worden beschouwd als belangrijke factoren voor het supercondensator- of ultracapacitorvermogen van de materialen [11]. De as-synthesized DP-AC is geanalyseerd door N2 adsorptie-desorptietest gebaseerd op het BET-principe voor poriestructuurkenmerken en oppervlakte. Afbeelding 6a toont de stikstofadsorptie-desorptie-isotherm van DP-AC geactiveerd via K2 CO3 . De vorm van N2 adsorptie-desorptie-isotherm wordt aangenomen als een isotherm van het gemengde type, d.w.z. het omvat isothermen II en IV. Type II isotherm aangenomen als de combinatie van type I en II isothermen is indicatief voor het bestaan ​​van microporeuze aard. Het eerste deel (concave vorm) toont de volledige dekking van monolaag en verdere absorptie van meerlaags [11]. Vandaar dat type II isotherm een ​​goede overeenkomst vertoont in zowel microporeuze als microporeuze structuren. Bij de relatief hogere druk betekent de grafiekopname opmerkelijk type IV isothermen met een hysteresislus. Bovendien schrijft de type IV-isotherm toe aan monolaag- en meerlaagse adsorptie die gepaard gaat met capillaire condensatie die plaatsvindt in taps toelopende spleetachtige poriën. Verder zijn het oppervlak en de diameter van de poriegrootte geëvalueerd met behulp van de BET-vergelijking (vergelijking 7).

$$\frac{1}{{Q\left( {\left( {\frac{{P_{0} }}{P}} \right) - 1)} \right)}} =\frac{1} {{Q_{m} C}} + \frac{C - 1}{{Q_{m} C}}\left( {\frac{P}{{P_{0} }}} \right)$$ ( 7)

waar (P /P 0 ) staat voor de relatieve druk en Q , V m , en C vertegenwoordigen respectievelijk het gewicht van geadsorbeerd gas, geadsorbeerd als een monolaag en BET-constante. De oppervlakteparameters zoals BET-oppervlak, micro- en mesoporiënoppervlak, totaal porievolume, micro- en mesoporiënvolume en gemiddelde poriediameter van DP-AC zijn afgeleid en samengevat in aanvullend bestand 1:tabel S2 van aanvullend Informatiesectie.

een N2 adsorptie-desorptie analyse isotherm (inzet toont een relatie tussen relatieve druk (P /P 0 ) versus 1/[Q (P 0 /P −  1)]), b BJH-plot; poriegrootteverdelingsgrafiek van actieve koolstofmaterialen (inzet toont vergrote weergave die het bestaan ​​​​van mesoporiën voor DP-AC aantoont)

De poriegrootteverdeling van de DP-AC

Afbeelding 6a (inzet) toont een rechte lijn voor de geabsorbeerde hoeveelheid versus de relatieve druk (P /P 0 ), wat een goede overeenkomst is voor de berekening van de totale oppervlakte. Afbeelding 6b toont de verdeling van de poriegrootte ten opzichte van het differentiële volume. Om de poriegrootteverdeling te onderzoeken, is BJH-analyse uitgevoerd. De gemiddelde poriediameter en -breedte van het bereide actieve koolmonster zijn gevonden als respectievelijk  ~ 3.3 nm en  ~ 2.3 nm. Het corresponderende gemiddelde porievolume was 0,126 cm 3 g −1 . Afbeelding 6b (inzet) toont de vergrote weergave van het BJH-differentiële volume en de verdeling van de poriegroottediameter voor DP-AC. De BET-isothermkromme onthult dat het oppervlak een waarde heeft van  ~ 738.56 m 2 g −1 , die het bestaan ​​van meso- en macroporiën in het gesynthetiseerde monster afleidt. Materialen met een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding en een overvloed aan mesoporiën stimuleren respectievelijk voldoende ladingsopslag (energiedichtheid) en snelle ladingsoverdrachtskinetiek (vermogensdichtheid), en zijn van cruciaal belang bij geavanceerde energieopslag.

Elektrochemische analyse

Cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische lading-ontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) -analyses zijn gebruikt om de elektrochemische prestaties van DP-AC voor supercondensatoren te observeren. Alle onderzoeken zijn uitgevoerd met een systeem met drie elektroden in 6 M KOH als elektrolytoplossing.

De elektrochemische prestatie-evaluatie met behulp van CV is samengevat in figuur 7a. De afbeelding geeft CV-curven weer bij verschillende scansnelheden in het bereik van 10–200 mV s −1 binnen het potentiaalvenster van 0,35 V tot + 0,45 V en toont de rechthoekige vorm van de cyclische volumetrische curve van AC. Afbeelding 7b toont een gemeenschappelijk kenmerk van een elektrochemisch energieopslagapparaat. Een lage scansnelheid vertoont een hogere waarde van de specifieke capaciteit dan bij een hogere snelheid, aangezien bij een lage scansnelheid de ionen in de elektrolyt kunnen diffunderen in de toegankelijke poriën van de elektrode, waardoor een goede interactie tussen de ionen en poriën van de elektrode mogelijk wordt. voorkomen. Bij hogere snelheden, slechte toegankelijkheid of minder beschikbare tijd voor hydroxylionen om van de elektrolyt naar het elektrodeoppervlak te worden overgebracht, en dus zorgen ionen ervoor dat de specifieke capaciteit afneemt [50, 51]. We hebben een maximale specifieke capaciteit waargenomen bij 10 V s −1 scansnelheid, terwijl de scansnelheid wordt verlaagd van 160 naar 10 V s −1 . Een groot oppervlak en een hoge porositeit spelen een cruciale rol om een ​​hoge capaciteit te bezitten. Bovendien draagt ​​de gesloten rechthoekige vorm van de CV bij aan de optimalisatie van het gecombineerde microporie- en mesoporiënvolume en aan een goede elektrische geleidbaarheid. Voortaan de hoogste specifieke capaciteit, C SP as ~ 220.70 F g −1 is gevonden bij 10 mV s −1 voor DP-AC berekend met behulp van Vgl. 1.

een Cyclisch voltammogram (CV) bij verschillende scansnelheden, b specifieke capaciteit via CV, c galvanostatische lading-ontladingscurven bij verschillende stroomdichtheden, d specifieke capaciteit via GCD, e cyclische stabiliteit van het gesynthetiseerde DP-AC-elektrodemateriaal tot de 5000e cyclus met begin- en eindcycli bij een stroomdichtheid van 0,7 A g −1

Deze uitstekende prestaties van DP-AC zijn te danken aan de poreuze, plaatachtige structuur die een vitale rol speelt voor elektrolytionen die snel ladingtransport en -opslag mogelijk maken.

Verder zijn elektrochemische capaciteit en columbische efficiëntie afgeleid van de elektrochemische prestatie van het elektrodemateriaal door gebruik te maken van de galvanostatische lading-ontladingstechniek in een vast potentiaalvenster bij gecontroleerde stroomsituaties bij verschillende stroomdichtheden van 0,7, 0,9, 1,5, 1,8 en 2 A g −1 . Het vertoont een bijna driehoekig gevormd galvanometrisch profiel (Fig. 7c), wat de EDLC-karakteristiek in de DP-AC-elektrode aangeeft. De maximale C SP is afgeleid als 218 F g −1 bij een stroomdichtheid van 0,7 A g −1 voor DP-AC van Vgl. 2. Figuur 7d toont de variatie van specifieke capaciteit met stroomdichtheid [52,53,54]. Naarmate de stroomdichtheid geleidelijk toeneemt, neemt de specifieke capaciteit langzaam af. Het is bekend dat wanneer de laadstroom sneller wordt, het voor de elektrolytionen moeilijk is om snel in de overeenkomstige poriën van het elektrodemateriaal te diffunderen. Bovendien, aangezien de cyclische stabiliteit van het materiaal een cruciale parameter is voor praktisch gebruik van de supercondensator, is de recycleerbaarheid van het DP-AC-elektrodemateriaal uitgevoerd. Figuur 7e laat zien dat  ~-88% van de initiële specifieke capaciteit behouden blijft en suggereert het vermogen om snel op te laden en te ontladen zonder nauwelijks enige degradatie, zelfs na de 5000e cyclus [50, 53, 54] en bevestigt op zijn beurt de duurzaamheid van de zoals voorbereid materiaal.

Om de prestaties van het as-gesynthetiseerde DP-AC-materiaal voor energieopslagtoepassingen in de praktijk verder te valideren, worden energie- en vermogensdichtheden beschouwd als twee vitale parameters en zijn ze afgeleid uit het laad-/ontlaadprofiel met behulp van vergelijkingen. 3 en 4. Het heeft een maximale energiedichtheid van 19,3 Wh kg −1 met een redelijk goede vermogensdichtheid van 277 W kg −1 zoals geëvalueerd in − 0,35 V tot  + 0,45 V bereik en wordt getoond in Fig. 8a. Dus, in overeenstemming met de Ragone-plot, hebben we een supercondensator ontwikkeld met verbeterde energiedichtheid en zonder verlies aan vermogensdichtheid die praktisch kan worden gebruikt. Ook opmerkelijke C SP in een breed potentiaalvenster toont een voldoende toename van de energiedichtheid van as-gesynthetiseerde DP-AC. Sommige uitgebreide berekeningen met betrekking tot de prestaties van supercondensatoren zijn afgeleid en dus weergegeven in Aanvullend bestand 1:Tabel.S1.

een Ragone plot for the GCD capacitor and b Nyquist plot of impedance for as-synthesized DP-AC

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique has been adopted to investigate the interfacial properties such as capacitive and resistive characters of the as-synthesized material at the electrode–electrolyte interface [52] through Nyquist plot (Fig. 8b) and Bode plot (Additional file 1:Fig.S1). Fig. 8b illustrates the Nyquist plot between – Z” (imaginary part) and Z’ (real part) measured in the frequency range of 0.01 Hz to 0.1 GHz at an AC amplitude of 5 mV in the open circuit potential. It shows electric resistance of 1.58 Ω along a small diameter of semicircle confirming high conductivity and low internal resistance. The intersection between the curve and horizontal axis represents the total electric resistance of the device. The diameter of the semicircle at high frequency owes to the charge transfer resistance between electrode material and electrolyte, and tail slope at low frequency attributes to the ionic diffusion rate in the electrolyte [55,56,57]. Therefore, an electrode with as-synthesized DP-AC suits well for supercapacitor applications.

Conclusie

In summary, a very new facile and low-cost synthesis strategy has been illustrated in the present study for the development of activated carbon material with well-developed pores and high surface area from a natural precursor Kusha grass. It demonstrates a sustainable, eco-friendly, easy-to-employ, without any complex post-synthesis procedure for the energy storage application like a supercapacitor. The fabricated DP-AC with excellent properties has been used as an electrode material for electrochemical supercapacitors. The route enables a bit of modification of the electrode system with a loading of 1 × 10 −5  g DP-AC sample and exhibits a significantly high collector current–mass ratio. The highest specific capacitance has been observed with the CV technique as 220.70 F g −1 and with GCD as 218 F g −1 in a wide operating potential window, which is comparably higher than reported works on the ground of green synthesis (Table 1). The fabricated supercapacitor shows a good energy density and power density as 19.3 Wh kg −1 and 277.92 W kg −1 , respectively, and good retention in capacitance at remarkably higher charging/discharging rates with excellent cycling stability. Henceforth, bio-waste Kusha grass-derived activated carbon (DP-AC) with optimal electrochemical performance can be explored successfully at a real scale, and electrochemical electrical energy store devices with Kusha grass-based AC material may be realized in a short period.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

The used datasheets and materials are available from the corresponding authors on reasonable request.

Afkortingen

DP:

Desmostachya bipinnata

AC:

Actieve kool

KOH:

Kaliumhydroxide

GCE:

Glassy carbon electrode

XRD:

X-ray powder diffraction

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

EDAX:

Energy-dispersive X-ray spectroscopy

FTIR:

Fourier-transformatie infraroodspectroscopie

BET:

Brunauer–Emmett–Teller

CV:

Cyclische voltammetrie

GCD:

Galvanostatic charge–discharge

EIS:

Electrochemical impedance spectroscopy


Nanomaterialen

  1. Benchmarking van uw smeerprestaties voor verbeterde betrouwbaarheid
  2. 3 sleutels voor verbeterde plantprestaties
  3. De voordelen van DevOps beoordelen voor het testen van IoT-prestaties
  4. Grafeen- en polymeercomposieten voor toepassingen met supercondensatoren:een recensie
  5. Geactiveerde koolstofvezels met hiërarchische nanostructuur afgeleid van afval katoenen handschoenen als hoogwaardige elektroden voor supercondensatoren
  6. Monodispergerende koolstofnanosferen met hiërarchische poreuze structuur als elektrodemateriaal voor supercondensator
  7. Magnetische koolstofmicrosferen als herbruikbaar adsorbens voor het verwijderen van sulfonamide uit water
  8. Een eenvoudige aanpak voor het synthetiseren van fluorescerende koolstofkwantumstippen uit tofu-afvalwater
  9. Zwaar grafiet-stikstof zelfgedoteerde koolstof met hoge porositeit voor de elektrokatalyse van zuurstofreductiereactie
  10. Na4Mn9O18/Carbon Nanotube-composiet als materiaal met hoge elektrochemische prestaties voor waterige natrium-ionbatterijen
  11. Polyaniline-gecoate actieve kool aerogel/zwavelcomposiet voor hoogwaardige lithium-zwavelbatterij