Indagine sulla regolazione della struttura dei pori del carbone attivo derivato dal sargasso e sua applicazione nei supercondensatori

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10106 (2022) Citare questo articolo

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Al fine di realizzare l'efficace regolazione della struttura dei pori del carbone attivo e ottimizzare le sue proprietà della struttura dei pori come materiale dell'elettrodo, gli effetti della temperatura di attivazione, del tempo di attivazione e del rapporto di impregnazione sulla superficie specifica, volume totale dei pori e diametro medio dei pori del carbone attivo il carbonio preparato dal sargasso viene studiato mediante esperimento ortogonale. Inoltre, vengono studiate anche le proprietà elettrochimiche del carbone attivo a base di sargasso (SAC) e la relazione tra la capacità gravimetrica e l'area superficiale specifica del SAC. Le SAC preparate in tutte le condizioni hanno un'elevata area superficiale specifica (≥ 2227 m2 g−1) e una struttura dei pori sviluppata, in cui il diametro dei pori dei micropori è concentrato principalmente in 0,4 ~ 0,8 nm, il diametro dei pori dei mesopori è concentrato principalmente in 3 ~ 4 nm e il numero di micropori è molto maggiore di quello dei mesopori. Nel processo di attivazione, il rapporto di impregnazione ha il maggiore effetto sulla superficie specifica del SAC, la temperatura di attivazione e il rapporto di impregnazione hanno un effetto significativo sul volume totale dei pori del SAC e la regolazione del diametro medio dei pori del SAC viene realizzata principalmente regolando la temperatura di attivazione. I SAC mostrano prestazioni di capacità elettrica a doppio strato tipiche dei supercondensatori, offrendo una capacità gravimetrica superiore di 237,3 F g−1 in un sistema elettrolitico KOH da 6 mol L−1 con una densità di corrente di 0,5 A g−1 ed eccellente stabilità ciclica della ritenzione di capacità del 92% dopo 10.000 cicli. Si osserva una buona relazione lineare tra capacità gravimetrica e area superficiale specifica della SAC.

Il continuo aumento del consumo di combustibili fossili tradizionali, come carbone, petrolio e gas naturale, ha portato a una crisi energetica e all'inquinamento ambientale sempre più gravi, che hanno intensificato la domanda mondiale di energia pulita rinnovabile1,2,3. L’utilizzo di energie pulite rinnovabili, come l’energia solare, l’energia eolica e l’energia oceanica, si è sviluppato rapidamente negli ultimi anni. Gli svantaggi di queste fonti di energia rinnovabile, tra cui l’intermittenza e l’instabilità, ne limitano in larga misura l’applicazione. È necessario istituire un sistema efficiente di stoccaggio dell’energia per sfruttare appieno l’elettricità generata da queste fonti di energia pulita e rinnovabile4. In quanto promettenti dispositivi di accumulo dell'energia, le batterie al litio o ad altri ioni metallici, le celle a combustibile e i supercondensatori hanno attirato molta attenzione e ottenuto notevoli risultati nella ricerca5,6,7,8. Secondo il meccanismo di accumulo dell'energia, i supercondensatori sono suddivisi in pseudocondensatori e condensatori elettrici a doppio strato (EDLC)3,9. Gli EDLC sono considerati i più competitivi nelle applicazioni ad alta potenza grazie al loro meccanismo di accumulo di energia elettrostatica. Sono inoltre caratterizzati da velocità di carica e scarica rapida, lunga durata, leggerezza, ampio intervallo di temperature di servizio e rispetto dell'ambiente10,11,12. Le prestazioni elettrochimiche degli EDLC sono determinate principalmente dai materiali degli elettrodi, quindi l'esplorazione di nuovi materiali per gli elettrodi e il miglioramento delle caratteristiche dei materiali degli elettrodi, comprese le caratteristiche della struttura dei pori, vengono solitamente selezionati per migliorare notevolmente le prestazioni elettrochimiche degli EDLC13,14,15,16.

Secondo il meccanismo di accumulo dell'energia del doppio strato elettrico, la capacità elettrica dell'EDLC dipende dalla carica accumulata sul doppio strato elettrico dell'elettrodo di polarizzazione. La carica di accumulo del materiale dell'elettrodo avviene principalmente nell'interfaccia tra l'elettrodo e l'elettrolita. Il materiale dell'elettrodo dovrebbe possedere una superficie accessibile estremamente ampia di ioni elettrolitici in modo che l'EDLC abbia la capacità di immagazzinare più cariche17,18,19,20. I materiali a base di carbonio con elevata area superficiale specifica, come carbone attivo, grafene, nanotubi di carbonio e aerogel di carbonio, sono diventati i principali oggetti di selezione dei materiali elettrodici per EDLC21,22,23. Tra questi, il carbone attivo è diventato il materiale per elettrodi più utilizzato per gli EDLC grazie all'abbondanza di materie prime, al metodo di preparazione maturo, al basso costo e alla non tossicità24,25.