Investigação sobre regulação da estrutura porosa do carvão ativado derivado do sargaço e sua aplicação em supercapacitor

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 10106 (2022) Citar este artigo

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A fim de realizar a regulação eficaz da estrutura de poros do carvão ativado e otimizar suas propriedades de estrutura de poros como material de eletrodo, os efeitos da temperatura de ativação, tempo de ativação e taxa de impregnação na área de superfície específica, volume total de poros e diâmetro médio de poros de ativado carbono preparado pelo sargassum é estudado por experimento ortogonal. Além disso, também são estudadas as propriedades eletroquímicas do carvão ativado à base de sargaço (SAC) e a relação entre a capacitância gravimétrica e a área superficial específica do SAC. Os SACs preparados sob todas as condições possuem alta área superficial específica (≥ 2.227 m2 g-1) e estrutura de poros desenvolvida, na qual o diâmetro dos poros dos microporos se concentra principalmente em 0,4 ~ 0,8 nm, o diâmetro dos poros dos mesoporos se concentra principalmente em 3 ~ 4 nm, e o número de microporos é muito maior do que o de mesoporos. No processo de ativação, a taxa de impregnação tem maior efeito na área superficial específica do SAC, a temperatura de ativação e a taxa de impregnação têm efeito significativo no volume total de poros do SAC, e a regulação do diâmetro médio dos poros do SAC é realizada principalmente ajustando a temperatura de ativação. Os SACs exibem desempenhos típicos de capacitância elétrica de camada dupla em supercapacitores, fornecendo capacitância gravimétrica superior de 237,3 F g-1 em sistema eletrolítico KOH 6 mol L-1 com densidade de corrente de 0,5 A g-1 e excelente estabilidade de ciclagem de retenção de capacitância de 92% após 10.000 ciclos. Observa-se uma boa relação linear entre a capacitância gravimétrica e a área superficial específica do SAC.

O aumento contínuo do consumo de combustíveis fósseis tradicionais, como o carvão, o petróleo e o gás natural, tem levado a uma crise energética cada vez mais grave e à poluição ambiental, o que intensificou a procura mundial por energias limpas renováveis1,2,3. A utilização de energia limpa renovável, como a energia solar, a energia eólica e a energia oceânica, tem se desenvolvido rapidamente nos últimos anos. As desvantagens destas fontes de energia renováveis, incluindo a intermitência e a instabilidade, limitam em grande medida a sua aplicação. Deve ser estabelecido um sistema eficiente de armazenamento de energia para aproveitar plenamente a eletricidade gerada por estas fontes de energia limpas e renováveis4. Como dispositivos promissores de armazenamento de energia, as baterias de lítio ou outros íons metálicos, as células de combustível e os supercapacitores têm atraído muita atenção e conquistado notáveis ​​​​realizações de pesquisa5,6,7,8. De acordo com o mecanismo de armazenamento de energia, os supercapacitores são divididos em pseudocapacitores e capacitores elétricos de dupla camada (EDLCs)3,9. Os EDLCs são considerados os mais competitivos em aplicações de alta potência devido ao seu mecanismo de armazenamento de energia eletrostática. Eles também são caracterizados pela rápida velocidade de carga e descarga, ciclo de vida longo, peso leve, ampla faixa de temperatura de serviço e respeito ao meio ambiente10,11,12. O desempenho eletroquímico dos EDLCs é determinado principalmente pelos materiais dos eletrodos, portanto, a exploração de novos materiais de eletrodos e a melhoria das características dos materiais dos eletrodos, incluindo as características da estrutura dos poros, são geralmente selecionadas para melhorar significativamente o desempenho eletroquímico dos EDLCs .

De acordo com o mecanismo de armazenamento de energia da dupla camada elétrica, a capacidade elétrica do EDLC depende da carga acumulada na dupla camada elétrica do eletrodo de polarização. A carga de armazenamento do material do eletrodo ocorre principalmente na interface entre o eletrodo e o eletrólito. Uma área de superfície acessível extremamente grande de íons eletrolíticos deve ser possuída pelo material do eletrodo para que o EDLC tenha a capacidade de armazenar mais cargas . Materiais à base de carbono com alta área superficial específica, como carvão ativado, grafeno, nanotubos de carbono e aerogel de carbono, tornaram-se os principais objetos de seleção de materiais de eletrodos para EDLCs21,22,23. Entre eles, o carvão ativado tornou-se o material de eletrodo mais utilizado para EDLCs devido às suas matérias-primas abundantes, método de preparação maduro, baixo custo e não toxicidade24,25.