리그노설포네이트 바이오폐기물 유래 계층적 다공성 탄소 기반 고성능 슈퍼커패시터 전극

초록

바이오폐기물을 고부가가치 나노소재 제조 전구체로 활용하는 것은 소자의 지속 가능한 발전에 필수적입니다. 리그노설포네이트는 펄프 및 제지 산업 부산물로 보통 폐기물로 버려집니다. 본 연구에서는 리그노설포네이트를 전구체로 사용해 전기화학적 에너지 저장 응용을 위한 상호 연결된 기공을 가진 계층적 정렬 다공성 탄소를 제조했습니다. 리그노설포네이트의 독특한 분자 구조와 특성은 제어 가능한 기공 구조와 향상된 물리적 특성을 가진 고품질 다공성 탄소 획득을 보장합니다. 그 결과, 제조된 계층적 정렬 다공성 탄소는 대칭 슈퍼커패시터 조립 시 우수한 에너지 저장 성능을 보이며, 0.5A/g 전류 밀도에서 289F/g의 높은 비정전용량, 900W/kg 전력 밀도에서 40Wh/kg 에너지 밀도를 나타냅니다. 본 연구는 저비용 고성능 에너지 저장 소자 제조를 위한 유망한 전략을 제공합니다.

서론

슈퍼커패시터는 높은 전력 밀도, 긴 사이클 수명, 배터리와 기존 커패시터 대비 가벼운 무게로 백업 시스템과 다양한 전자기기용 에너지 저장 소기로 유망합니다. 탄소 기반 나노소재는 슈퍼커패시터에서 활성 전극 소재로 전기화학적 이중층을 통해 전기를 저장하며 우수한 에너지 저장 성능으로 알려져 있습니다. 이들의 에너지 저장 성능은 전극 활성 소재의 물리적 특성, 특히 다공성 구조에 의해 결정됩니다. 거대기공(50nm 초과)은 이온 완충 저장소 역할을 하고, 중기공(2-50nm)은 전해질 이온 수송 채널 역할을 하며, 미세기공(일반적으로 2nm 미만)은 전하 저장 장소 역할을 합니다. 이전 선형 상관관계 조사 기반 연구에 따르면 비정전용량과 속도 특성이 미세기공과 중기공 부피와 각각 높은 관련이 있습니다. 탄소 나노소재 기반 슈퍼커패시터는 상호 연결된 거대기공, 중기공, 미세기공의 균형 잡힌 분포를 가진 계층적 다공성 구조를 가질 것으로 기대됩니다.

더 나은 에너지 저장 성능을 위한 계층적 다공성 탄소 제조를 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 연구자들은 제올라이트, MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16, KIT-6 등 다양한 하드 템플릿을 개발해 정렬된 중기공을 가진 다공성 탄소를 제조했습니다. 화학적 및 물리적 활성화 처리도 널리 사용되나, 보통 무작위로 분포된 폐쇄 기공을 생성해 기공 구조 제어성이 떨어집니다.

바이오매스와 바이오폐기물은 고온에서 화학적 및 물리적으로 활성화되어 다공성 탄소 제조에 사용되었습니다. 그중 일부는 템플릿 법에 사용돼 정렬된 기공 구조를 가진 다공성 탄소 합성에 이용되었습니다. 많은 다공성 탄소가 비싸고 비재생 가능한 계면활성제와 블록 공중합체로부터 제조됩니다. 리그닌은 식물 종에 존재하는 두 번째로 풍부한 유기 소재이자 가장 풍부한 방향족 고분자입니다. 제지 산업에서 펄핑 공정 중 리그닌이 리그노설포네이트로 전환되며 보통 폐기물로 버려져 심각한 환경 문제를 야기합니다. 리그노설포네이트는 일반적으로 방향족 고리와 산소 함유 기를 가진 작은 분자입니다. 리그닌보다 분자량이 훨씬 작고 산소 함유 기로 인해 우수한 수용성을 보입니다. 이러한 장점은 리그노설포네이트를 정렬된 기공 구조를 가진 고부가가치 다공성 탄소 합성을 위한 템플릿 법에 사용할 이상적인 전구체로 만듭니다.

본 연구에서는 정렬된 기공의 좋은 상호 연결성과 기공 크기 제어성을 위해 KIT-6을 하드 템플릿으로 사용해 정렬된 중기공 탄소를 제조하고, 후속 화학적 활성화로 중기공 구조 내 미세기공을 생성했습니다. 탄소 전구체로 나트륨 리그노설포네이트를 사용했습니다. 제조된 계층적 정렬 다공성 탄소(HOPC)를 사용해 대칭 슈퍼커패시터를 조립했으며, 이는 뛰어난 에너지 저장 성능을 보입니다.

방법

KIT-6 제조

정렬된 중기공 실리카 템플릿(KIT-6)은 참고문헌 [24]에 따라 합성했습니다. 수정된 절차에서, Pluronic P123(EO₂₀PO₇₀EO₂₀, MW=5800, Aldrich) 5.53g을 35% 농축 HCl 10.9g을 포함한 200g 탈수수에 250mL 유리병에서 먼저 용해했습니다. 5.53g 부탄올을 35°C에서 교반하며 병에 첨가했습니다. 1시간 교반 후 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS, Aldrich) 11.9g을 위 용액에 첨가하고 35°C에서 24시간 교반했습니다. 병을 이후 정적 조건에서 100°C로 24시간 추가 숙성했습니다. 고체 생성물을 여과로 수집하고 세척 없이 100°C에서 건조했습니다. 유기 잔류물은 에탄올과 HCl 혼합물에서 추출로 제거한 후 550°C에서 6시간 소성했습니다.

정렬된 중기공 탄소 제조

정렬된 중기공 탄소(OMC)는 합성된 KIT-6을 하드 템플릿으로, 나트륨 리그노설포네이트를 탄소원으로 사용해 제조했습니다. 위 합성된 실리카 템플릿 KIT-6을 사용해 리그노설포네이트를 로딩했습니다. 일반적으로 Lanyi Reagent(베이징, 중국)에서 구매한 나트륨 리그노설포네이트 0.6g을 15mL 탈수수에 용해한 후 KIT-6 템플릿 0.6g을 첨가했습니다. 혼합물을 실온에서 24시간 교반한 후 70°C에서 건조했습니다. 실리카와 나트륨 리그노설포네이트를 포함한 건조 복합체를 탄화 전구체로 사용했습니다. 탄화 공정은 Ar 분위기에서 30sccm 가스 유속으로 900°C, 2시간 진행했습니다. 탄화 후 복합체를 실온에서 12시간 동안 2.5M NaOH 수용액에 담가 실리카 템플릿을 제거했습니다. 희석 HCl 용액과 탈수수로 세척 처리 후 중기공 정렬 탄소(OMC)를 얻었으며, 탄화 온도를 나타내는 디지털 숫자로 OMC-900으로 기록했습니다. OMC-700, OMC-800, OMC-1000은 각각 700°C, 800°C, 1000°C에서 탄화된 시료를 나타냅니다.

계층적 정렬 다공성 탄소 제조

계층적 정렬 다공성 탄소(HOPC) 제조를 위해 후속 화학적 활성화 공정을 사용했습니다. 간단히, 제조된 OMC-900을 탄소와 ZnCl₂ 중량비 1:1로 ZnCl₂ 용액과 균질하게 혼합하고 110°C에서 6시간 건조했습니다. 활성화 처리는 Ar 분위기에서 30sccm 가스 유속으로 900°C, 3시간 진행했습니다. 탄화 온도 효과 조사 위해 KIT-6 템플릿에 나트륨 리그노설포네이트를 함침시킨 후 700°C와 800°C에서도 탄화했으며, OMC-700과 OMC-800으로 표시했습니다. 비교 위해 순수 나트륨 리그노설포네이트를 같은 조건에서 직접 탄화해 얻은 탄소를 리그닌-탄소로 기록했습니다.

특성 분석

합성된 KIT-6 템플릿과 다공성 탄소 시료 형태는 히타치 SU8020 주사 전자 현미경(SEM)으로 특성화했습니다. 미세 기공 구조는 JEOL 2100F 투과 전자 현미경(TEM)으로 추가 조사했습니다. 저각 XRD 회절 패턴은 XD-2/XD-3 어드밴스 분말 X-선 회절계로 기록했습니다. 화학 구조는 ESCALAB250Xi X-선 광전자 분광법(XPS)으로 조사했습니다. 라만 특성화는 HORIBA Science 라만 분광법으로 수행했습니다. 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼은 NEXUS 670 FTIR 분광법으로 기록했습니다. KIT-6 템플릿과 다공성 탄소의 다공성 특성은 77K에서 Micromeritic ASAP2020 V3.02 H를 사용한 N₂ 흡착/탈착 실험으로 분석했습니다. 비표면적은 브루나우어-에멧-텔러(BET) 법으로 측정했고, 기공 크기 분포는 슬릿 기공 비국소 밀도 함수 이론(NLDFT) 모델로 계산했습니다.

전기화학적 측정

제조된 다공성 탄소 시료의 전기화학적 성능은 3전극 구성으로 조사했습니다. 최적화된 HOPC는 최종적으로 2전극 구성으로 조사했습니다. 3전극 시스템에서 작업 전극은 제조된 다공성 탄소와 미리 NMP 용매에 용해시킨 PVDF를 탄소:PVDF 중량비 9:1로 물리적 혼합해 제조했습니다. 균질 슬러리를 약 1cm² 커버리지 면적의 니켈 포일에 캐스팅하고 80°C에서 12시간 건조해 잔류 용매를 제거했습니다. 3전극 테스트에서 백금판(1cm²)과 Ag/AgCl을 각각 대극과 준기준 전극으로 사용했습니다. 2전극 시스템 작업 전극은 같은 절차로 니켈 포일 대신 니켈 폼을 사용해 제조했습니다. 동일한 활성 전극 소재 로딩량의 니켈 폼을 사용해 여과지를 분리막으로 하는 대칭 슈퍼커패시터를 조립했습니다. 3전극과 2전극 구성 모두에서 6M KOH 수용액을 전해질로 사용했습니다.

사이클릭 볼타메트리(CV), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS), 정전류 충방전은 Gamry Reference 3000 장비로 수행했습니다. 3전극 구성 CV 측정은 Ag/AgCl 대비 -1~0V 전위 창에서 수행했으며, 대칭 슈퍼커패시터 전위 창은 0~1V였습니다. EIS 특성화는 1MHz~0.01Hz 주파수 범위에서 5mV AC 진폭으로 수행했습니다. 3전극 테스트 CV 곡선에서 유도된 비정전용량은 C=∫Idt/mV 공식으로 계산했습니다. 2전극 테스트 CV 곡선과 정전류 테스트에서 유도된 비정전용량은 각각 C=4∫Idt/MV와 C=4It/MV로 결정했습니다. 여기서 I는 방전 전류, t는 방전 시간, V는 동작 전압 창, m은 3전극 구성 작업 전극 활성 소재 질량, M은 대칭 슈퍼커패시터 두 전극 총 활성 소재 질량입니다. 에너지 밀도(E)와 전력 밀도(P)는 정전류 충방전 테스트에서 E=CV²/2, P=E/t로 계산했습니다. 여기서 C는 2전극 테스트 비정전용량, t는 방전 시간입니다.

결과 및 논의

HOPC 시료는 그림 1과 같이 5단계를 통해 합성되었습니다. (a) 문헌 [24] 수정된 방법으로 KIT-6 실리카 템플릿 제조; (b) KIT-6 실리카 템플릿을 나트륨 리그노설포네이트 수용액에 담가 리그노설포네이트 함침; (c) 나트륨 리그노설포네이트 로딩된 KIT-6을 Ar 가스에서 2시간 탄화. 탄화 공정 최적화를 위해 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C에서 탄화 수행; (d) 탄화 후 2.5M NaOH 온수 용액에서 KIT-6 실리카 템플릿 제거해 정렬된 중기공 탄소(OMC) 획득; (e) OMC 탄소 시료를 900°C, 3시간 ZnCl₂로 추가 화학 활성화해 HOPC 제조.

제조된 KIT-6 실리카 템플릿을 저각 분말 XRD 패턴으로 먼저 분석했습니다(그림 2a). 합성된 KIT-6 실리카는 입방 Ia3d에 속하며 입방 정렬 중기공 구조의 (211)면과 (220)면에 해당하는 1°와 1.2°에서 두 특징적 회절 피크를 보입니다. N₂ 흡착/탈착 분석 결과 KIT-6 실리카 템플릿은 대다수 중기공과 소량 미세기공으로 구성되며 좋은 상호 연결성을 가집니다(그림 2b). 기공 크기 분포는 2.5nm와 7.5nm 중심으로 나타납니다(그림 2c). BET 비표면적은 1481m²/g, 총 기공 부피는 2.62cm³/g입니다. 투과 전자 현미경(TEM)으로 합성된 KIT-6 템플릿의 미세 형태와 기공 구조를 추가 조사했습니다(그림 2d). 밝은 점은 기공을, 어두운 영역은 벽(실리카)을 나타냅니다. 벽 두께와 평균 기공 크기는 각각 3.1nm와 6.4nm로 측정되었습니다. 그림 2d 삽입 FFT 패턴 이미지는 주기적 정렬 기공 구조를 확인합니다.

OMC 탄소 시료를 SEM과 TEM으로 특성화했습니다. 그림 S1에서 서로 다른 탄화 온도에서 제조된 OMC 탄소 시료가 정렬된 기공을 가진 벌집 형태 형태학을 보입니다. TEM으로 미세 다공성 구조를 추가 조사했습니다(그림 2e-g). TEM 이미지는 정렬된 나노 도메인을 보여줍니다. 어두운 부분은 고립된 탄소이고 밝은 부분은 상호 연결된 기공입니다. FFT 이미지는 모든 OMC 탄소 시료에 대해 선명하고 밝은 점을 보여 정렬된 기공 구조를 추가 확인합니다. 기공 크기는 OMC-700, OMC-800, OMC-900 각각 2.9nm, 2.1nm, 2.4nm로 실리카 템플릿 벽 두께와 매우 가깝습니다. 대조적으로 실리카 템플릿 없이 나트륨 리그노설포네이트 탄화로 제조된 시료는 다공성 구조를 보이지 않습니다(그림 S2). 따라서 선택된 탄화 온도에서 나트륨 리그노설포네이트와 KIT-6 실리카 템플릿 사용으로 정렬된 중기공 탄소 제조 성공을 결론지을 수 있습니다.

질소 흡착/탈착 실험으로 제조된 OMC 탄소 시료의 물리화학적 특성을 조사했습니다(그림 S3). 모든 등온선 곡선은 유사한 중급을 가지며 흡착량이 매우 낮은 상대 압력에서 증가하고 상대 압력과 함께 급격히 증가해 모든 제조 OMC 시료에서 미세기공과 중기공 공존 및 높은 기공 부피를 시사합니다. OMC 시료 기공 크기 분포는 0.6nm와 2.3nm 중심으로 나타납니다. 탄화 온도를 1000°C로 더 높였고 OMC-1000 시료 등온선 곡선(그림 S4)은 유사한 프로필을 보여 유사한 기공 구조를 나타냅니다. 그림 3a는 탄화 온도 함수로서 비표면적, 총 기공 부피, 미세기공 부피, 중기공 부피를 보여줍니다. 비표면적 증가는 총 기공 부피 증가와 관련됩니다. 탄화 온도를 1000°C로 더 높이면 비표면적이 1948m²/g로 감소하며 미세기공 부피 감소와 중기공 부피 증가를 보입니다. 최적 탄화 온도는 900°C로 제안됩니다. 표 S1은 제조된 OMC 탄소 시료 물리적 특성을 요약합니다. OMC-900 시료가 2201m²/g 최고 비표면적과 3.74cm³/g 총 기공 부피를 가짐을 알 수 있습니다.

따라서 OMC-900 시료를 사용해 ZnCl₂ 활성화 시약으로 화학적 활성화를 수행해 계층적 다공성 구조를 추가 생성했습니다. 그림 S5 SEM 이미지에서 화학적 활성화 후 정렬된 3차원 기공 네트워크가 부분적으로 파괴돼 수많은 고립된 나노입자가 형성됨을 볼 수 있습니다. 그림 2e TEM 이미지는 정렬된 기공을 명확히 보여주며 해당 FFT 패턴은 밝은 점을 보여 정렬된 나노 도메인 존재를 나타냅니다. 그림 2f HRTEM 이미지는 화학적 활성화 후 중기공 벽에 미세기공이 형성됨을 보여줍니다. N₂ 흡착/탈착 결과 화학적 활성화 후 HOPC 시료는 2602m²/g로 현저히 증가한 비표면적, 1.03cm³/g 미세기공 부피, 3.49cm³/g 중기공 부피를 보입니다(표 S1, 그림 S6a, b 참조).

리그노설포네이트 특성이 정렬된 중기공 탄소 형성을 촉진합니다. 그림 S7은 리그노설포네이트 대표 분자 구조를 보여주며, 하이드록실 기가 리그노설포네이트 분자 간 가교 반응을 가능하게 합니다. 본 연구에서는 리그노설포네이트 분자가 하이드록실 기를 통해 친수성 실리카 벽에 흡착되고 수소 결합을 통해 서로 가교 반응해 3차원 네트워크를 형성한다고 제안합니다. KIT-6 템플릿, 나트륨 리그노설포네이트, KIT-6 템플릿 함침 리그노설포네이트 FTIR 스펙트럼은 그림 S8에 나와 있습니다. 나트륨 리그노설포네이트 3429cm^-1, 2950cm^-1, 1635cm^-1, 1514cm^-1, 1041cm^-1 피크는 각각 O-H 스트레칭, C-H 스트레칭, C=O 스트레칭, C-C 스트레칭, C-O 스트레칭에 할당됩니다. KIT-6 실리카 템플릿 463cm^-1, 802cm^-1, 1090cm^-1 피크는 Si-O-Si 로킹에 할당됩니다. 967cm^-1 피크는 표면 실라놀 Si-O 진동 때문입니다. 리그노설포네이트-실리카 스펙트럼에서 리그노설포네이트와 실리카 특징적 피크가 공존해 실리카 템플릿 내 리그노설포네이트 함침을 확인합니다. 또한 리그노설포네이트-실리카에서 3429cm^-1 피크가 넓어지며 리그노설포네이트 분자 간 가교 반응을 통한 수소 결합 형성을 나타냅니다. 흡착되고 배향된 리그노설포네이트 분자는 탄화 공정 중 고체 탄소 층으로 전환돼 수많은 폐쇄 기공을 유도할 수 있습니다(그림 1 b, c 단계 참조). 화학적 활성화는 이러한 폐쇄 기공을 열어 물리적 특성을 추가 개선합니다.

라만 특성화로 제조된 탄소 시료의 흑연화 정도를 조사했습니다(그림 3b). 모든 라만 스펙트럼은 1340cm^-1과 1590cm^-1에 위치한 특징적인 D 밴드와 G 밴드를 보입니다. OMC 시료와 HOPC 시료의 D 밴드(무질서 탄소)와 G 밴드(정렬 탄소) 강도 비는 약 1.06으로, 실리카 템플릿 없이 리그노설포네이트 직접 탄화로 제조된 탄소 시료 1.17보다 낮습니다. 이 결과는 OMC 탄소 시료가 리그노설포네이트 직접 탄화 탄소 시료보다 더 높은 흑연화 정도를 가짐을 나타냅니다. 이유는 앞서 언급한 리그노설포네이트 분자 간 가교 반응이 방향족 고리 배향을 돕기 때문으로 보입니다. 그림 S9 XPS 분석 결과 모든 시료가 주로 탄소와 산소를 포함하며 최종 탄소 생성물에서 불순물 신호는 검출되지 않습니다. 나트륨 리그노설포네이트 분해로 CO₂와 Na₂CO₃ 생성이 가능하나, 이후 탈수수 세척 처리로 완전히 제거될 수 있습니다. 모든 제조 탄소 시료에서 C1s 코어 레벨은 네 성분으로 디콘볼루션 가능합니다: C-O(286.7eV), C=O(288.0eV), sp² 탄소(284.8eV, 정렬 탄소), sp³ 탄소(285.4eV, 무질서 탄소).

제조된 OMC 탄소 시료와 활성화된 HOPC 시료 전기화학적 성능을 6M KOH 수용액 전해질에서 3전극 구성으로 평가했습니다. 리그노설포네이트 직접 탄화 탄소 시료는 무시할 만한 에너지 저장 성능을 보입니다(그림 S10). OMC 탄소 시료는 향상된 전기화학적 성능을 나타내는 직사각형 CV 프로필을 보입니다(그림 S11, 그림 4a). 2mV/s에서 비정전용량은 OMC-700 59F/g, OMC-800 93F/g, OMC-900 130F/g, OMC-1000 120F/g입니다(그림 4b). OMC-900 전극이 모든 OMC 탄소 시료 중 최고 전기화학적 성능을 보입니다. 화학적 활성화 후 HOPC 시료 비정전용량이 243F/g으로 더 증가해 활성화 전 OMC-900 시료보다 거의 2배 높습니다. 본 연구 HOPC 비정전용량은 곰팡이 유래 탄소(5mV/s에서 196F/g)보다 훨씬 높으며, 하드 실리카 템플릿으로 제조된 그래핀 에어로젤 기반 중기공 탄소(1mV/s에서 226F/g, 100mV/s에서 83F/g로 감소)보다도 높습니다. 곰팡이 유래 탄소 비정전용량은 100mV/s에서 90F/g로 감소하나, HOPC는 같은 스캔 속도에서 128F/g으로 여전히 높습니다.

임피던스 측정으로 시료 전도성을 조사했습니다. 그림 S12는 1MHz-0.01Hz 주파수 범위 나이퀴스트 스펙트럼과 등가 회로를 보여주며, 이는 등가 직렬 저항(R_s), 전하 전이 저항(R_ct), 전기화학적 이중층 커패시턴스로 구성됩니다. 등가 직렬 저항 R_s는 모든 전극에서 0.7Ωcm²로 시료의 높은 전기 전도성과 전극 품질을 나타냅니다. 나이퀴스트 플롯은 HOPC 전극이 5Ω 최저 전하 전이 저항을 가짐을 나타냅니다.

전달 가능 에너지와 전력 밀도는 주파수 의존 커패시턴스와 높은 관련이 있으며 다음과 같이 표현됩니다.

$$ C = \frac{1}{j\omega Z} = \frac{-Z_{\text{image}}}{\omega|Z|^2} - j\frac{-Z_{\text{real}}}{\omega|Z|^2} = C_{\text{real}} - jC_{\text{image}} $$

여기서 C와 Z는 커패시턴스와 저항입니다. Z_real과 Z_image는 Z의 실수부와 허수부입니다. C_real은 전극 소재 전달 가능 커패시턴스를 나타내는 커패시턴스 실수부이고, C_image는 소자 내 비가역적 저항 손실과 관련된 허수 커패시턴스입니다. 그림 S13a에서 HOPC 시료가 가장 빠른 응답을 가짐을 볼 수 있습니다. 주파수 f는 C_image가 최대에 도달하는 특성 주파수이며, t=1/f는 슈퍼커패시터 시정수입니다. f와 t 모두 특성 속도 특성입니다. 고전력 밀도 슈퍼커패시터는 보통 높은 특성 주파수 f와 작은 t를 가집니다. 그림 S13b는 주파수 함수로서 C_image 플롯입니다. OMC-700, OMC-800, OMC-900, OMC-1000, HOPC 시료 특성 주파수는 각각 0.01Hz, 0.1Hz, 0.01Hz, 0.01Hz, 0.5Hz이며 해당 시정수는 100s, 10s, 100s, 100s, 2s입니다. HOPC 시료가 가장 높은 특성 주파수와 최저 시정수를 가져 전력 출력에 가장 빠른 응답을 보입니다.

HOPC가 높은 전기화학적 성능을 보임이 입증되었습니다. 그러나 실제 응용에서는 3전극 구성 테스트가 실제 에너지 저장 능력을 드러내지 못합니다. 따라서 HOPC 시료로 전극을 제조해 대칭 슈퍼커패시터를 조립했습니다. 그림 4c는 HOPC 전극 CV 곡선을 보여줍니다. CV 프로필은 2mV/s에서 100mV/s까지 모든 스캔 속도에서 좋은 대칭성을 가진 거의 직사각형 형태를 보여 HOPC 전극의 좋은 전기화학적 특성과 속도 안정성을 나타냅니다. 정전류 충방전 측정도 조립된 대칭 슈퍼커패시터에서 수행했으며 결과는 그림 4d에 나와 있습니다. 충방전 과정 중 선형 전압-시간 프로필이 좋은 대칭성을 가진 이상적 삼각형 형태를 보여 HOPC 전극의 뛰어난 에너지 저장 능력을 나타냅니다. 전류 밀도 0.5A/g에서 방전 시간은 150초로 약 289F/g 비정전용량에 해당합니다. HOPC 비정전용량은 10A/g에서도 166F/g으로 여전히 높습니다(그림 4e). 본 연구 HOPC 성능은 문헌 탄소 시료 값들보다 우수합니다.

HOPC 높은 비정전용량은 낮은 옴 저항과 전하 전이 저항, 각각 약 0.6Ωcm^-1과 2.4Ωcm^-1에 기인합니다(그림 S14). 0.01Hz 최저 주파수에서 대칭 슈퍼커패시터 위상각은 약 81.7°로 이상적 슈퍼커패시터(90°)에 매우 가깝습니다(그림 S15). 특성 주파수는 약 0.2Hz로 시정수 5s에 해당합니다. 이는 HOPC 전극이 좋은 전력 전달 능력을 가짐을 의미합니다. 전달 가능 커패시턴스는 290mF까지 높습니다(그림 S16). 그림 4f는 대칭 슈퍼커패시터 라곤 플롯을 보여줍니다. 에너지 밀도는 약 0.9kW/kg에서 20kW/kg 전력 밀도 범위에서 40Wh/kg에서 23Wh/kg 범위입니다.

HOPC 높은 비정전용량과 에너지 밀도는 최적화된 기공 구조에 기인합니다. HOPC 시료는 미세기공과 중기공 모두 높은 기공 부피를 가집니다. 이전 문헌 상관관계 분석에 의해 입증된 바와 같이, 미세기공은 에너지 저장과 높은 관련이 있고 중기공은 이온 수송 주요 역할을 해 정전용량 유지와 높은 관련이 있습니다. 중기공도 전하 저장에 기여함이 결론지어졌습니다. 위 지침을 염두에 두고 우리는 하드 템플릿 법과 화학적 활성화를 전념해 HOPC 시료 제조에 사용했습니다. 현재 결과는 위 결론을 추가 입증할 뿐만 아니라 고성능 에너지 저장 소재 제조 설계를 보여줍니다. 사이클 특성 측정을 위해 HOPC를 전극 소재로 사용한 대칭 슈퍼커패시터를 2A/g에서 3000회 반복 충방전했습니다(그림 S17). 3000회 후 비정전용량은 초기 253F/g에서 약간 감소한 218F/g으로 정전용량 유지율 86.2%입니다. 본 연구 HOPC 시료 2전극 시스템 비정전용량은 표 S2 보고 값들보다 3000회 후 더 높고 비교 가능합니다. 따라서 본 연구는 산업 폐기물로부터 고성능 슈퍼커패시터 전극 활성 소재 개발을 위한 잠재적 경로를 제공합니다.

결론

본 연구에서 KIT-6 템플릿 기반 주형 주조 기술을 사용해 바이오폐기물 리그노설포네이트를 탄소원으로 정렬된 중기공 탄소 소재를 성공적으로 제조했습니다. 주형 주조 공정 중 리그노설포네이트가 KIT-6 기공 내 쉽게 주조될 수 있습니다. 리그노설포네이트 분자 가교 반응은 기공 부피 증가뿐만 아니라 방향족 고리 연결로 흑연화를 촉진합니다. 제조된 정렬된 중기공 탄소는 높은 전기 전도성, 높은 비표면적, 기공 부피를 보이며 이는 탄화 온도에 크게 의존합니다. 라만 분석과 N₂ 흡착/탈착 실험 결과 OMC-900 시료가 최적 물리적 특성을 가짐을 보입니다. OMC-900 기공 구조는 ZnCl₂ 화학적 활성화로 추가 최적화돼 HOPC 제조되었습니다. 대칭 슈퍼커패시터에서 HOPC 비정전용량은 약 289F/g, 에너지 밀도는 40Wh/kg까지 높습니다. 본 연구는 리그노설포네이트가 저비용 고성능 슈퍼커패시터용 계층적 정렬 다공성 탄소 제조에 매우 적합함을 나타냅니다.