Гамма

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12887 (2023) Цитировать эту статью

252 доступа

Подробности о метриках

Активированные угли (АУ) были получены из пальмового черешка с помощью нового экологически чистого метода, состоящего из сильно разбавленной гидротермальной карбонизации H2SO4 и низкоконцентрированного KOH-активирующего пиролиза с последующей гамма-индуцированной модификацией поверхности в окислительной среде NaNO3. Полученные графитовые угли впоследствии использовались в качестве активного материала для электродов суперконденсаторов. Физико-химические свойства АУ охарактеризованы с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа – энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, изотерм адсорбции/десорбции N2 с анализом площади поверхности Брунауэра-Эммета-Теллера, инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием, рентгеновской дифракции и рамановской спектроскопии. Электрохимические характеристики изготовленных электродов исследовали методами циклической вольтамперометрии, гальваностатической заряд-разрядной и электрохимической импедансной спектроскопии. Даже при обработке чрезвычайно низкой концентрацией H2SO4 и малым соотношением КОН:гидроуголь максимальная SBET 1365 м2/г для АУ была получена после гамма-облучения. Это было объяснено радиационно-индуцированным образованием взаимосвязанных сетей, образующих микропоры внутри структуры материала. Электроды суперконденсатора продемонстрировали электрическую двухслойную емкость, обеспечивающую самую высокую удельную емкость 309 Ф · г-1, а также превосходную циклическую стабильность в течение 10 000 циклов. Многообещающие результаты убедительно подтверждают высокую возможность применения экологически чистого метода в производстве материалов для суперконденсаторов.

В последнее время ископаемая энергия становится менее привлекательной из-за ограниченного долгосрочного энергоснабжения и экологических проблем. С другой стороны, альтернативная энергетика все чаще принимается во внимание для обеспечения устойчивости и чистой окружающей среды. Независимо от источников энергии, вся обработка возобновляемой энергии требует стабильной и надежной системы хранения энергии (ESS). Значительное внимание было обращено на суперконденсаторы, поскольку они обеспечивают высокую стабильность, возможность быстрой зарядки и широкий диапазон рабочих температур. Этот класс накопителей энергии также демонстрирует высокую плотность мощности с энергоэффективностью до 98%1. В отличие от традиционных конденсаторов с твердым диэлектриком, общая емкость суперконденсаторов в основном зависит от электрической емкости двойного слоя (EDLC) и электрохимической псевдоемкости. Фактически, на величину емкости суперконденсатора влияют несколько факторов, а именно удельная площадь поверхности, структура пор, электропроводность и функциональность поверхности электродов. EDLC обычно имеют удельную площадь поверхности более 500 м2 г-1, что приводит к гораздо более высокой удельной емкости, чем у обычных конденсаторов. Реверсивность быстрого накопления заряда в EDLC также позволяет завершить цикл зарядки/разрядки за секунды2. В отличие от аккумуляторных батарей, циклический срок службы которых сокращается после ряда процессов зарядки/разрядки, основанных на химических реакциях, EDLC могут сохранять исключительную структуру электродов и высокую емкость даже после миллионов рабочих циклов3. К сожалению, коммерчески доступные EDLC по-прежнему имеют гораздо более низкую плотность энергии (< 10 Втч кг-1) по сравнению с батареями (35–40 Втч кг-1)4. Фактически, плотность энергии и общая емкость суперконденсатора могут быть улучшены путем введения в материал электрода дополнительного механизма накопления-переноса заряда, так называемой псевдоемкости. Механизм реализуется за счет быстрых и обратимых окислительно-восстановительных реакций на границе раздела электрод/электролит и в объеме электродного материала. Другими словами, этот фарадеевский процесс помогает уменьшить энергетический разрыв между EDLC и батареями5,6. Псевдоемкостное поведение в СЭ в основном определяется наличием на поверхности электрода функциональных групп, содержащих гетероатомы. Оксиды металлов, нитриды металлов и проводящие полимеры являются наиболее широко используемыми материалами в электродах псевдоконденсаторов. Однако производственный процесс требует сложных процедур в сочетании с рядом токсичных веществ, что создает экологические риски5.