Duurzame geactiveerde koolstof uit Kusha-gras (Desmostachya bipinnata) verbetert supercondensatorprestaties

Samenvatting

Hierin demonstreren we de fabricage van hoogcapacitieve geactiveerde koolstof (AC) uit bio-afval Kusha-gras (Desmostachya bipinnata), door een chemisch proces gevolgd door activering met KOH. De gesynthetiseerde weiniggelagen geactiveerde koolstof is bevestigd door röntgenpoederdiffractie, transmissie-elektronenmicroscopie en Raman-spectroscopie. De chemische omgeving van het voorbereide monster is gekarakteriseerd door FTIR en UV-zichtbare spectroscopie. De oppervlakte en porositeit van het gesynthetiseerde materiaal zijn bepaald via de Brunauer-Emmett-Teller-methode. Alle electrochemische metingen zijn uitgevoerd via cyclische voltammetrie en galvanometrische lading/ontlading (GCD), maar we richten ons voornamelijk op GCD vanwege de nauwkeurigheid van de techniek. Bovendien toont het gesynthetiseerde AC-materiaal een maximale specifieke capaciteit van 218 F g⁻¹ in het potentiaalvenster van -0,35 tot +0,45 V. Ook vertoont de AC een uitstekende energiedichtheid van ~19,3 Wh kg⁻¹ en vermogendichtheid van ~277,92 W kg⁻¹ in hetzelfde werkpotentiaalvenster. Het heeft ook een zeer goed capaciteitsbehoud zelfs na 5000 cycli getoond. De gefabriceerde supercondensator toont een goede energiedichtheid en vermogendichtheid, en goed capaciteitsbehoud bij bijzonder hoge lading/ontladingssnelheden met uitstekende cyclusstabiliteit. Derhalve toont bio-afval Kusha-gras-afgeleide geactiveerde koolstof (DP-AC) grote belofte en kan worden toegepast in supercondensatortoepassingen vanwege de uitstekende electrochemische eigenschappen. Hierin zien we in dat onze resultaten een eenvoudige en innovatieve benadering illustreren om bio-afval Kusha-gras-afgeleide geactiveerde koolstof (DP-AC) te synthetiseren als een opkomend supercondensator-elektrodemateriaal en de praktische toepassing in electrochemische energielopslagvelden te verruimen.

Inleiding

In de laatste jaren is veel aandacht gegaan naar de ontwikkeling van veelbelovende duurzame energielopslagmodellen, waaronder conversie- en opslagapparaten, in de nasleep van de mondiale energiebehoefte. Energielopslagapparaten zoals batterijen en supercondensatoren spelen een zeer significante, efficiënte en betaalbare rol in de generatie van hernieuwbare en duurzame energiebronnen en zijn haalbare alternatieven voor traditionele niet-hernieuwbare opties. Supercondensatoren zijn uitgekomen als de meest veelbelovende duurzame energielopslagapparaten vanwege de lange cyclusleven, hoge vermogendichtheid en ultra-snelle lading/ontladingstijden. Bovendien, door het ontluikende onderzoeksterrein van koolstof-gebaseerde nanomaterialen zoals grafene, nanotubussen, nanodots en quantum dots, is de intensieve ontwikkeling van supercondensator-energielopslagapparaten ook toegenomen. Studies onthullen dat veel onderzoeken zich hebben gericht op de synthese van materialen en hun composieten met andere hybriden die hoge capaciteit, breed potentiaalvenster, lagere impedantie en goed capaciteitsbehoud demonstreren. Ook de fabricage van elektroden heeft brede aandacht getrokken met hoge massa-lading van geactiveerd materiaal en massa-tot-stroomverzamelaar verhouding.

Supercondensatoren gebaseerd op koolstofmaterialen zijn breed bestudeerd en bieden brede potentiaalvensters leidend tot hoge energiedichtheid in de aanwezigheid van organische elektrolyten. Daarom tonen koolstof-gebaseerde supercondensatoren hoge weerstand en lage capaciteit. Maar organische elektrolyten zijn giftig, brandbaar en relatief duur. Koolstofnanotubussen, grafene, etc., zijn tot op zekere hoogte duur in de bereidingsmethoden en beschikbaarheid van grondstoffen en belemmeren hun grootschalige toepassingen. Daarom is onderzoek uitgevoerd naar verschillende veranderingen voor diverse koolstofmaterialen om het potentiaalvenster, de supercondensatieprestaties en lagere impedantie te verhogen met eco-vriendelijke, kosteneffectieve en gemakkelijk toe te passen methoden.

Geactiveerde koolstof met hoge oppervlakte, uitgebreide functionele associaties en voldoende porositeit is de afgelopen decennia uitgebreid gebruikt voor adsorptie, gasopslag, gasscheiding, katalysatorondersteuning, oplosmiddeldecoloratie, oplosmiddelherwinning, elektroden en supercondensatoren. De porieuze structuur en andere eigenschappen zoals hoge oppervlakte, poriënvolume, aanwezigheid van verschillende typen functionele groepen en verdeling van poriêngroten spelen een cruciale rol in de adsorptie-gerelateerde toepassingen van geactiveerde koolstof. Afhankelijk van de poriêngrootte kan geactiveerde koolstof in verschillende toepassingsgebieden worden gebruikt, zoals microporiën voor adsorptie van kleinere moleculen, terwijl mesoporiën uitgebreid worden gebruikt voor adsorptie van grotere moleculen.

Veel factoren beïnvloeden de eigenschappen van geactiveerde koolstof zoals grondstoffen, synthese-route, activeringsreagens en omgevingsomstandigheden tijdens het activeringsproces. AC wordt gesynthetiseerd door verschillende synthese-routes en precursors die bio-afval/natuurlijk beschikbaar zijn, zoals kokosnotenschillen, neem, maïzetmeel, herbruikt afvalpapier, schrootbanden en bananavezel. AC wordt voornamelijk gesynthetiseerd door fysieke en chemische activeringsprocessen. Meestal omvat de eerste voornamelijk verkoking en verdere activering in een inerte atmosfeer of in de aanwezigheid van gas zoals CO₂ of oxidatiemiddelen, terwijl het chemische activeringsproces eerst de ontwikkeling van de porieuze structuren omvat door toevoeging van activerende middelen zoals ZnCl₂, NaOH, H₃PO₄ en KOH. Volgens studies is ZnCl₂ geen veel voorkeur activeringsmiddel vanwege milieukwesties en onbevoegde herwinning. Daarom is de AC geactiveerd door ZnCl₂ niet geschikt voor farmaceutische en agro-voedingsdoeleinden omdat ze een kans hebben om de resultaten te besmetten. Onder andere chemische reagens is KOH breed gebruikt omdat het resulteert in AC's met hoge oppervlakte en goed gedefinieerde poriën. Gonzalez et al. rapporteerden de KOH-activering van kersten resulterend in microporeuze AC's met grote capaciteiten. Yushin et al. synthetiseerden houtzaagsel-gebaseerde AC's door hydrothermale verkoking, gevolgd door activering met KOH, en bestudeerden de supercondensatorprestaties. Ranganathan et al. ilustreerden de synthese van AC's uit afvalpapier met KOH als activeringsmiddel. Het vertoont een specifieke capaciteit van 180 F g⁻¹ in KOH-elektrolyt. He et al. gebruikten een snelle magnetronverhittingstechniek om AC's van cokes te synthetiseren en bestudeerden de KOH-cokes massaverhouding en activeringstijd. De activerende middelen spelen een vitaal rol tijdens het proces, zoals dehydraterende middelen die de voortgang van verschillende intermediaire producten voorkomen. Het verhoogt ook de dichtheid van porieuze structuren en verlaagt de activeringstijd en temperatuur.

In het huidige werk is Kusha-gras (Desmostachya bipinnata) gebruikt als een eco-vriendelijke, kosteneffectieve en overvloedige koolstofrijke precursor voor de synthese van geactiveerde koolstof. Om AC te synthetiseren, is een chemisch proces met KOH als activeringsmiddel toegepast vanwege de betere betrouwbaarheid. Het gesynthetiseerde AC-materiaal is gekarakteriseerd door UV-zichtbaar, Fourier-transformatie-infrarood en Raman-spectroscopie. Verder, om de validatie van de structurele kenmerken te beoordelen, is het gesynthetiseerde materiaal gekarakteriseerd door scanning elektronenmicroscopie (SEM), energie-dispersieve spectroscopie (EDAX), TEM en XRD-technieken. Voor het toepassingsdoel zijn electrochemische en galvanometrische laadtechnieken toegepast met een kleine wijziging in de elektrode met een drie-elektrodesysteem. Vanwege de betrouwbaarheid van de GC-techniek is deze gebruikt voor andere berekeningen zoals supercapaciteit, energiedichtheid en stroomdichtheid. Het onthult dat de voorbereide AC uitstekende supercapaciteitseigenschappen vertoont door goed gedefinieerde poreuze kenmerken. Derhalve levert deze studie de eerste van zijn soort die zich bezighoudt met de fabricage van hoogcapacitieve geactiveerde koolstof (AC) met behulp van bio-afval Kusha-gras (Desmostachya bipinnata).

Methoden

Materialen

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

Verschillende analytische technieken zijn gebruikt om de gesynthetiseerde monsters te karakteriseren. Om de structurele kenmerken en kristallijne eigenschappen van de gesynthetiseerde geactiveerde koolstof te beoordelen, werd poeder röntgendiffractie uitgevoerd op een PANalytical röntgendiffractometer met CuK_α straling (λ = 1,540 Å) bij 2θ ~ 10°–80°. De microstructuren en oppervlaktemorfologieën van het gesynthetiseerde materiaal werden bestudeerd door een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM, TECHNAI G² bediend bij 200 kV) en een scanning elektronenmicroscoop (Dual FIB: FEI Nanolab bediend bij 200 kV). TEM-monster werd voorbereid door druipgieten van suspensie van DP-AC poeder over een koolstof-bedekt rooster gevolgd door ultrasone suspensie in DI water. Verder werden enkele additionele structurele kenmerken van de gesynthetiseerde geactiveerde koolstof bevestigd door Raman-spectroscopie. Raman-verstrooiingsmeting werd uitgevoerd met een 532-nm He-Ne laser-excitatie met 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 aan het gesynthetiseerde monster te onderzoeken. De optische eigenschappen werden geëvalueerd door UV-zichtbare absorptiespectroscopie vastgelegd door fluorescerende lampen (λ = 365 nm) (PerkinElmer, Lambda 25). De oppervlakte en poriêngrootteverdeling van het voorbereide geactiveerde koolstofmonster werden gemeten door vloeistofstikstof adsorptie/desorptie analyse met een automatische Brunauer-Emmett-Teller (BET) methode (micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, VS).

Synthese van geactiveerde koolstof

Kortweg, Kusha-gras (DP) werd gesneden en zachtjes meerdere keren gewassen met DI water tot de supernatans kleurloos werd. DP werd 5 uur in een oven bij 100 °C bewaard en vervolgens 2 uur verkokt in een muffeloven gehouden bij 700 °C. Voor activering werd het gemengd in bewijs KOH (w/w 1:4) met hulp van mortel-pestel, en vervolgens werd het homogene mengsel verzameld. Vervolgens werd het 2 uur in een buisoven bij 700 °C in argon-atmosfeer gehouden. Het mengsel werd verder afgesteld tot kamertemperatuur, en het ontvangen mengsel werd meerdere keren gewassen met DI water tot de pH een waarde van ~7 bereikte. Uiteindelijk kregen we het product als geactiveerde koolstof en bewaarden het veilig in een vat voor verdere experimenten en metingen. Het totale proces is geïllustreerd in Fig. 1.

Illustratie van de strategische weg voor de synthese van geactiveerde koolstof uit Kusha-gras (Desmostachya bipinnata)

Elektrodevoorbereiding

Een glasachtige koolstofelektrode (GCE) met diameter ~0,3 cm werd gepolijst met alumineslurry (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 geultrasoniceerd in DI water en ethanol. Voor de depositie van AC, werd 1 mg actief materiaal (AC) opgelost in DI water (1 mL) en 15 minuten geultrasoniceerd. Vervolgens werd 10 µL van de voorbereide oplossing op de GCE gedropt met behulp van een micropipet, en gedroogd in lamp Licht zonder nabij contact ter voorkoming van besmetting.

Electrochemische testen

Electrochemische experimenten zijn uitgevoerd op de CHI-660C multikanaal werkstation met een drie-elektrodesysteem met pt-draad, Ag/AgCl en glasachtige koolstofelektrode als tegen-, referentie- en werkelektrode, respectievelijk. 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 zwieppotentiaalvenster -0,35 V tot +0,45 V. De verschillende electrochemische parameters zijn bepaald door gebruik te maken 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 de massa van het geladen materiaal (g) en scansnelheid (v/s) vertegenwoordigen. Bovendien heeft C_s een eenheid van F g⁻¹.

Omdat de galvanometrische lading-ontlading (GCD) techniek betrouwbaarder is en nauwkeurigere resultaten geeft, hebben we de GCD-techniek toegepast voor verdere berekeningen. We berekenden de specifieke capaciteit met de vergelijking

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

waarbij I, ∆t, ∆V en m de stroom (A), ontladingsperiode (s), spanningsvensters (V) en massa van het geladen materiaal (g) vertegenwoordigen, respectievelijk.

Verder zijn energiedichtheid (E) en vermogendichtheid (P) 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 informatie te verkrijgen over de grafitisatie van het gesynthetiseerde geactiveerde koolstofmateriaal, is de XRD-techniek toegepast. Het XRD-profiel (Fig. 2a) toont duidelijk de karakteristieke pieken van geactiveerde koolstofmateriaal bij 22° en 43° [38, 39]. De intensiteit en positie van de pieken onthullen de lage graad van grafitisatie, regulariteiten van de kristallijne structuur en vorming van K₂CO₃ (2θ = 36,52°) als intermediair product [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 stipuleert de amorfe koolstof, terwijl de scherpte van de piek toegewezen aan 22° de verhoogde translationele orde in het koolstofmonster bij hoge temperatuur toont. Deze resultaten bevestigen de succesvolle vorming van het gesynthetiseerde AC-materiaal.

a XRD-patroon en b Raman-spectrum van gesynthetiseerde geactiveerde koolstof

Raman-analyse

Verder is het materiaal gekarakteriseerd door Raman-spectroscopie, een zeer uitgesproken techniek om diverse koolstofhoudende materialen te karakteriseren. Er zijn twee meest intense pieken waargenomen in het Raman-spectrum van geactiveerde koolstofmateriaal geplaats bij 1346 cm⁻¹ (D-piek) en 1587 cm⁻¹ (G-piek) zoals getoond in Fig. 2b. De D-piek is kenmerkend voor roosterdefecten, randimperfecties, ongestructureerde uitlijning en lage-symmetrie grafietstructuur in geactiveerde koolstofmateriaal [43], en de tweede piek, de G-piek, demonstreert de voorkomen van C=C-rektrillingen [10]. Daarnaast vertoont het twee meer banden bij hogere golffnummers 2678 cm⁻¹ (2D) en 2840 cm⁻¹ (S3) door de overtoon van koolstof en onthult de aanwezigheid van weiniggelagen koolstofmateriaal en de grafietachtige aard van geactiveerde koolstofmateriaal [44].

Verder is de graad van grafitisatie berekend door de vergelijking

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

waarbij R, I_D, en I_G de graad van grafitisatie, de intensiteit van de D-piek op 1346 cm⁻¹ en de intensiteit van de G-piek op 1587 cm⁻¹ vertegenwoordigen, respectievelijk. Na berekening is de waarde van R ~0,84 gevonden, wat verwijst naar een hogere index van grafitisatie tot op zekere hoogte [10].

Morfologische karakterisering en energie-dispersieve röntgen (EDX) analyse

Om de microstructurale kenmerken en oppervlaktemorfologie van het gesynthetiseerde materiaal te verkennen, zijn scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeeldingen zoals getoond in Fig. 3a, b geanalyseerd. De morfologie suggereert de aanwezigheid van grote onregelmatige poriën in de gesynthetiseerde DP-AC. Het voorkomen van onregelmatige en ongestructureerde porieuze structuren op het oppervlak rekent voor de hevigheid van reagens KOH. DP-AC poriën ontwikkeld tijdens pyrolyse zijn cruciaal om de oppervlakte en poriënvolume van de geactiveerde koolstof te vergroten door de diffusie van KOH-moleculen in de poriën te bevorderen en daarbij de koolstofreactie te vergroten, wat hier verondersteld wordt om additionele poriën in de AC te genereren. De grote poriënstructuur op het oppervlak van het geactiveerde koolstofmateriaal is voordelig voor ladingsopslagtoepassingen zoals supercondensatoren. Bovendien is de elementaire analyse van het gesynthetiseerde geactiveerde koolstofmateriaal (Fig. 3c) gedaan via energie-dispersieve röntgenspectroscopische techniek en onthult het bestaan van koolstof, zuurstof en potassium elementen in het.

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

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en deeltjesgrootteverdeling

Verder, om meer structurele informatie, kristalkwaliteit dimensies van het voorbereide monster te authenticeren, is transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) uitgevoerd. TEM-afbeeldingen geven de aanwezigheid van verschillende poriënstructuren aan die als transparante plaatsen (omcirkeld met gele kleur) in Fig. 4a, b te zien zijn. Bovendien onthult het SAED-patroon de amorfe aard van het geactiveerde koolstofmateriaal zoals getoond in de inset van Fig. 4a.

a TEM-afbeelding (balkschaal 100 nm) (inset: SAED-patroon), b TEM-afbeelding die verschillende groottes van porieuze structuren toont (balkschaal 50 nm) van het gesynthetiseerde geactiveerde koolstofmateriaal

UV-zichtbare absorptie en FTIR-analyse

Het UV-zichtbare absorptiespectrum van het gesynthetiseerde geactiveerde koolstofmateriaal is vastgelegd en weergegeven in Fig. 5a. Het bezit een karakteristieke absorptiepiek bij 264 nm door de elektronische overgangen tussen de bindende en antibindende π-orbitals.

a UV-zichtbaar spectrum en b FTIR-spectrum van het Kusha-gras-afgeleide gesynthetiseerde geactiveerde koolstofmonster

De oppervlaktechemische eigenschappen van gesynthetiseerde geactiveerde koolstofmateriaal zijn geanalyseerd door FTIR-spectroscopie en getoond in Fig. 5b. Het geeft details van de geassocieerde functionele groepen in het geactiveerde koolstofmateriaal. Het voorkomen van een absorptieband bij 3115 cm⁻¹ en een kleine piek bij 2368,78 cm⁻¹ is te wijten aan -OH-rektrilling van hydroxyle functionele groepen [10, 45, 46]. De piek bij 1624,63 cm⁻¹ is geassocieerd met -C=C-rek van de aromatische ringen, wat kan zijn gevormd door de decompositie van C-H-bindingen om een stabielere -C=C-groep te vormen bij hogere activeringstemperatuur [47]. De sterke absorptiebanden bij 1459,46, 1361,78, 1146,88, 1010,13 en 862,72 cm⁻¹ bevestigen de aanwezigheid van -C-C (geconjugeerd met -C=C), -CH₃ trilling, C-N-rek, C-O-rekmodes van ester en -C-O symmetrische rek [39, 43, 47,48,49] in het gesynthetiseerde geactiveerde koolstofmateriaal, respectievelijk. Bovendien schrijft de sterke absorptiepiek bij 706,43 cm⁻¹ toe aan -C=C-buiging in het gesynthetiseerde DP-AC.

BET-analyse

N₂ adsorptie en desorptie isothermen

De porositeit in het koolstofmateriaal is gegenereerd met activering door een reagens KOH tijdens de synthese. De poriënstructuur en oppervlakte worden beschouwd als significante factoren voor de supercondensator- of ultracapacitieve capaciteit van de materialen. De gesynthetiseerde DP-AC is geanalyseerd door N₂ adsorptie-desorptie test gebaseerd op het BET-principe voor poriënstructuurkenmerken en oppervlakte. Figuur 6a toont de stikstof adsorptie-desorptie isotherm van DP-AC geactiveerd door K₂CO₃. De vorm van de N₂ adsorptie-desorptie isotherm wordt aangenomen als een gemengd-type isotherm, 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 initiële deel (concave vorm) demonstreert de volledige bedekking van monolagen en verdere absorptie van multilagen [11]. Daarom onthult type II isotherm goede overeenstemming in microporeuze en mesoporeuze structuren. Bij de relatief hogere druk neemt de grafiek opmerkelijk toe en betekent type IV isothermen met een hysteresislus. Bovendien schrijft type IV isotherm toe aan mono- en multilaagadsorptie vergezeld door kapillaire condensatie die plaatsvindt in getapte spleetvormige poriën. Verder zijn de oppervlakte en poriëndiameter geëvalueerd met de BET-vergelijking (Verg. 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)

waarbij (P/P₀) de relatieve druk vertegenwoordigt en Q, Q_m en C het gewicht van geadsorbeerd gas, adsorbaat als monolage en BET-constante vertegenwoordigen, respectievelijk. De oppervlakteparameters zoals BET-oppervlakte, micro- en mesoporeuze oppervlakte, totaal poriënvolume, micro- en mesoporeuze volume en gemiddelde poriëndiameter van DP-AC zijn afgeleid en samengevat in Aanvullend bestand 1: Tabel S2 van de Aanvullende Informatie sectie.

a N₂ adsorptie-desorptie analyse isotherm (inset tonend een relatie tussen relatieve druk (P/P₀) versus 1/[Q(P₀/P − 1)]), b BJH-plot; poriêngrootteverdelingsplot van geactiveerde koolstofmaterialen (inset toont vergrote weergave demonstrerend het bestaan van mesoporiën voor DP-AC)

De poriêngrootteverdeling van de DP-AC

Figuur 6a (inset) toont een rechte lijn voor de hoeveelheid geabsorbeerd vs relatieve druk (P/P₀), wat een goede overeenstemming is voor de berekening van de totale oppervlakte. Figuur 6b toont de poriêngrootteverdeling tegen het differentiële volume. Om de poriêngrootteverdeling te onderzoeken, is BJH-analyse uitgevoerd. De gemiddelde poriëndiameter en breedte van het voorbereide geactiveerde koolstofmonster zijn respectievelijk ~3,3 nm en ~2,3 nm gevonden. Het corresponderende gemiddelde poriënvolume is 0,126 cm³ g⁻¹. Figuur 6b (inset) toont de vergrote weergave van de BJH differentiële volume en verdeling van poriëndiameter voor DP-AC. De BET-isotherm kromme onthult dat de oppervlakte een waarde van ~738,56 m² g⁻¹ bezit, wat het bestaan van meso- en macroporiën in het gesynthetiseerde monster impliceert. Materialen met een hoge oppervlakte-volume verhouding en overvloed aan mesoporiën stimuleren voldoende ladingsopslag (energiedichtheid) en snelle ladingstransportkinetiek (vermogendichtheid), respectievelijk, en zijn cruciaal prominent in geavanceerde energielopslag.

Electrochemische analyse

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

De electrochemische prestatie-evaluatie met CV is samengevat in Fig. 7a. De figuur toont CV-krommen bij gevarieerde 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 kromme van AC. Figuur 7b toont een gemeenschappelijke karakteristiek van een electrochemisch energielopslagapparaat. Een lage scansnelheid vertoont een hogere waarde van specifieke capaciteit dan bij een hogere snelheid, omdat bij een lage scansnelheid de ionen in de elektrolyt kunnen diffunderen in de toegankelijke poriën van de elektrode, wat goede interactie tussen de ionen en poriën van de elektrode toelaat. Bij hogere snelheden, slechte toegankelijkheid of mindere beschikbaarheid van tijd voor hydroxylie ionen om over te gaan van de elektrolyt naar het elektrodenoppervlak, en dus ionen veroorzaken de specifieke capaciteit te dalen [50, 51]. We hebben de maximale specifieke capaciteit waargenomen bij 10 V s⁻¹ scansnelheid, terwijl de scansnelheid daalt van 160 tot 10 V s⁻¹. Hoge oppervlakte en hoge porositeit spelen een cruciale rol om hoge capaciteit te bezitten. Bovendien schrijft de gesloten rechthoekige vorm van de CV toe aan de optimalisatie van gecombineerde microporeuze en mesoporeuze volume alsook goede elektrische geleidbaarheid. Derhalve is de hoogste specifieke capaciteit, C_SP als ~220,70 F g⁻¹ gevonden bij 10 mV s⁻¹ voor DP-AC berekend met Verg. 1.

a Cyclische voltammogram (CV) bij verschillende scansnelheden, b specifieke capaciteit door CV, c galvanostatische lading-ontladingskrommen bij verschillende stroomdichtheden, d specifieke capaciteit door GCD, e cyclische stabiliteit van het gesynthetiseerde DP-AC elektrodemateriaal tot 5000ste cyclus met initiële en finale cycli bij een stroomdichtheid van 0,7 A g⁻¹

Deze uitstekende prestaties van DP-AC zijn toe te schrijven aan de porieuze vel-achtige structuur die een vitale rol speelt voor elektrolytionen die snelle ladingstransport en -opslag mogelijk maken.

Verder zijn electrochemische capaciteit en coulombische efficiëntie afgeleid van de electrochemische prestatie van het elektrodemateriaal door de galvanostatische lading-ontladingstechniek toe te passen in een vast potentiaalvenster bij gecontroleerde stroomsituaties bij verschillende stroomdichtheden 0,7, 0,9, 1,5, 1,8 en 2 A g⁻¹. Het vertoont een bijna driehoekvormig galvanometrisch profiel (Fig. 7c), wat het EDLC-karakter in de DP-AC elektrode betekent. De maximale C_SP is afgeleid als 218 F g⁻¹ bij een stroomdichtheid van 0,7 A g⁻¹ voor DP-AC uit Verg. 2. Figuur 7d toont de variatie van specifieke capaciteit met stroomdichtheid [52,53,54]. Naarmate de stroomdichtheid geleidelijk toeneemt, daalt de specifieke capaciteit langzaam. Het is bekend dat wanneer de ladingsstroom sneller wordt, het moeilijk is voor de elektrolytionen om snel te diffunderen in de corresponderende poriën van het elektrodemateriaal. Bovendien, aangezien de cyclische stabiliteit van het materiaal een cruciale parameter is voor praktische toepassingen van de supercondensator, is de cyclbaarheid van het DP-AC elektrodemateriaal uitgevoerd. Figuur 7e toont dat ~88% van de initiële specifieke capaciteit behouden blijft en suggereert de capaciteit voor snelle lading en ontlading zonder nauwelijks degradatie zelfs na de 5000ste cyclus [50, 53, 54] en bevestigt op zijn beurt de duurzaamheid van het voorbereide materiaal.

Om de prestaties van het gesynthetiseerde DP-AC materiaal voor energielopslagtoepassingen in het praktische leven verder te valideren, worden energiedichtheid en vermogendichtheid beschouwd als twee vitaal parameters en zijn afgeleid van het lading/ontladingsprofiel met Verg. 3 en 4. Het vertoont een maximale energiedichtheid van 19,3 Wh kg⁻¹ met een redelijk goede vermogendichtheid van 277 W kg⁻¹ zoals geëvalueerd in -0,35 V tot +0,45 V bereik en getoond in Fig. 8a. Dus, in overeenstemming met het Ragone-plot, hebben we een supercondensator ontwikkeld met verbeterde energiedichtheid zonder verlies aan vermogendichtheid die praktisch kan worden gebruikt. Ook, opmerkelijke C_SP in een breed potentiaalvenster demonstreert een voldoende toename in de energiedichtheid van het gesynthetiseerde DP-AC. Sommige uitgebreide berekeningen met betrekking tot supercondensatorprestaties zijn afgeleid en dus weergegeven in Aanvullend bestand 1: Tabel.S1.

a Ragone-plot voor de GCD-condensator en b Nyquist-plot van impedantie voor gesynthetiseerde DP-AC

Electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) techniek is toegepast om de interfaciale eigenschappen zoals capacitieve en resistieve karakters van het gesynthetiseerde materiaal aan de elektrode-elektrolyt interface te onderzoeken [52] via Nyquist-plot (Fig. 8b) en Bode-plot (Aanvullend bestand 1: Fig.S1). Fig. 8b illustreert de Nyquist-plot tussen –Z" (imaginair deel) en Z' (reëel deel) gemeten in het frequentiebereik van 0,01 Hz tot 0,1 GHz bij een AC-amplitude van 5 mV in het open-circuit potentiaal. Het toont een elektrische weerstand van 1,58 Ω langs een kleine diameter van halve cirkel bevestigende hoge geleidbaarheid en lage interne weerstand. Het snijpunt tussen de kromme en horizontale as vertegenwoordigt de totale elektrische weerstand van het apparaat. De diameter van de halve cirkel bij hoge frequentie is te wijten aan de ladingsoverdrachtsweerstand tussen elektrodemateriaal en elektrolyt, en de staarthelling bij lage frequentie is toe te schrijven aan de ionische diffusiesnelheid in de elektrolyt [55,56,57]. Daarom past een elektrode met gesynthetiseerde DP-AC goed voor supercondensatortoepassingen.

Conclusie

Samenvattend, een heel nieuwe eenvoudige en goedkope synthese-strategie is geïllustreerd in de huidige studie voor de ontwikkeling van geactiveerde koolstofmateriaal met goed ontwikkelde poriën en hoge oppervlakte uit een natuurlijke precursor Kusha-gras. Het demonstreert een duurzame, eco-vriendelijke, gemakkelijk toe te passen, zonder enige complexe na-synthese procedure voor de energielopslagtoepassing zoals een supercondensator. De gefabriceerde DP-AC met uitstekende eigenschappen is gebruikt als elektrodemateriaal voor electrochemische supercondensatoren. De route maakt een kleine wijziging van het elektrodesysteem mogelijk met een lading van 1 × 10⁻⁵ g DP-AC monster en vertoont een significant hoge verzamelaar stroom-massa verhouding. De hoogste specifieke capaciteit is waargenomen met de CV-techniek als 220,70 F g⁻¹ en met GCD als 218 F g⁻¹ in een breed werkpotentiaalvenster, wat vergelijkbaar hoger is dan gerapporteerde werken op de grond van groene synthese (Tabel 1). De gefabriceerde supercondensator toont een goede energiedichtheid en vermogendichtheid als 19,3 Wh kg⁻¹ en 277,92 W kg⁻¹, respectievelijk, en goed behoud in capaciteit bij bijzonder hoge lading/ontladingssnelheden met uitstekende cyclusstabiliteit. Derhalve kan bio-afval Kusha-gras-afgeleide geactiveerde koolstof (DP-AC) met optimale electrochemische prestaties met succes op echte schaal worden verkend, en electrochemische elektrische energielopslagapparaten met Kusha-gras-gebaseerd AC-materiaal kunnen binnen korte tijd gerealiseerd worden.