향상된 슈퍼커패시터 성능을 위한 바이오 폐기물 Desmostachya bipinnata에서 활성탄의 현장 제작

초록

여기에서 우리는 바이오 폐기물 Kusha grass(Desmostachya bipinnata ), 화학 공정을 사용한 후 KOH를 통한 활성화에 의해. 합성된 다층 활성탄은 X선 분말 회절, 투과전자현미경, 라만 분광기법을 통해 확인되었다. 준비된 샘플의 화학적 환경은 FTIR 및 UV-가시광선 분광기를 통해 액세스되었습니다. 합성된 물질의 표면적과 다공성은 Brunauer-Emmett-Teller 방법을 통해 접근되었습니다. 모든 전기화학적 측정은 순환 전압전류법(Cyclic voltammetry)과 검류계 충방전(GCD) 방법을 통해 수행되었지만, 기술의 정확성 때문에 주로 GCD에 중점을 둡니다. 또한 합성된 AC 재료는 218F g⁻¹ 의 최대 비정전용량을 나타냅니다. − 0.35 ~ + 0.45 V 범위의 전위 창에서. 또한 AC는 ~ 19.3 Wh kg⁻¹ 의 우수한 에너지 밀도를 나타냅니다. 전력 밀도 ~ 277.92 W kg⁻¹ , 각각 동일한 작동 전위 창에서. 또한 5000번째 사이클 후에도 매우 우수한 정전 용량 유지 기능을 보여주었습니다. 제작된 슈퍼커패시터는 우수한 에너지 밀도와 전력 밀도를 각각 보여주며, 현저하게 높은 충방전 속도에서 우수한 정전용량 유지와 우수한 사이클링 안정성을 보인다. 이후로 바이오폐기물 Kusha 잔디 유래 활성탄(DP-AC)은 우수한 전기화학적 특성으로 인해 슈퍼커패시터 응용 분야에 적용할 수 있는 좋은 가능성을 보여주고 있습니다. 여기에서 우리는 우리의 결과가 새로운 슈퍼커패시터 전극 재료로 바이오 폐기물 Kusha 잔디 유래 활성탄(DP-AC)을 합성하고 전기화학 에너지 저장 분야에서 실제 적용을 확대하기 위한 간단하고 혁신적인 접근 방식을 설명할 것이라고 생각합니다.

소개

최근 몇 년 동안 전 세계적인 에너지 긴급 상황을 추구하기 위해 변환 및 저장 장치를 포함하는 유망한 지속 가능한 에너지 저장 모델의 개발에 많은 관심이 기울여졌습니다[1,2,3]. 배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치는 재생 가능하고 지속 가능한 에너지원의 생성에서 매우 중요하고 효율적이며 저렴한 역할을 하며 기존의 재생 불가능한 옵션에 대한 실행 가능한 대안입니다. 슈퍼커패시터는 긴 사이클 수명, 높은 전력 밀도 및 초고속 충방전 시간으로 인해 가장 유망한 지속 가능한 에너지 저장 장치로 부상했습니다[4,5,6,7,8]. 또한 그래핀, 나노튜브, 나노점, 양자점과 같은 탄소 기반 나노물질의 연구 영역이 확대됨에 따라 슈퍼커패시터 에너지 저장 장치의 집중적인 개발도 증가하고 있다[9,10,11]. 연구에 따르면 높은 정전 용량, 넓은 전위 창, 낮은 임피던스 및 우수한 정전 용량 유지를 보여주는 다른 하이브리드와 재료 및 복합 재료의 합성에 많은 연구 작업이 집중되어 있음이 밝혀졌습니다[12]. 또한 전극 제조는 활성 물질의 높은 질량 부하와 집전체 대비 질량 비율로 인해 많은 관심을 받았습니다[13, 14].

탄소 재료를 기반으로 하는 슈퍼커패시터는 광범위하게 연구되어 왔으며 유기 전해질이 있는 상태에서 높은 에너지 밀도로 이어지는 넓은 포텐셜 창을 제공합니다[15, 16]. 따라서 탄소 기반 슈퍼 커패시터는 높은 저항과 낮은 정전 용량을 보입니다. 그러나 유기전해질은 유독하고 가연성이 있으며 비교적 고가이다[15]. 탄소나노튜브, 그래핀 등은 원재료의 제조방법과 이용가능성이 어느 정도 과도하고 대규모 응용을 제한하고 있다. 따라서 친환경적이고 비용 효율적이며 사용하기 쉬운 방법으로 포텐셜 윈도우, 슈퍼커패시턴스 성능 및 낮은 임피던스를 증가시키기 위해 다양한 탄소 재료에 대한 여러 변화를 다루는 연구가 수행되었습니다[17, 18].

높은 표면적, 충분한 기능적 회합체 및 충분한 다공성을 갖는 활성탄은 지난 수십 년 동안 흡착, 가스 저장, 가스 분리, 촉매 지지체, 용매 탈색, 용매 회수, 전극 및 슈퍼커패시터에 광범위하게 사용되었습니다. 다공성 구조 및 높은 표면적, 기공 부피, 다양한 유형의 작용기 존재 및 기공 크기 분포와 같은 기타 특성은 활성탄의 흡수 관련 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다[18]. 기공 크기에 따라 활성탄은 미세 기공이 더 작은 분자의 흡착에 사용되는 반면 메조 기공은 더 큰 분자의 흡착에 광범위하게 사용되는 것과 같이 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다[19, 20].

원료, 합성 경로, 활성화 시약, 활성화 과정에서의 환경 조건 등 많은 요인이 활성탄의 특성에 영향을 미칩니다. AC는 코코넛 껍질[21], 님[22], 옥수수 전분[23], 재활용된 폐지[24], 스크랩 타이어[25], 및 바나나 섬유 [26]. AC는 주로 물리적 및 화학적 활성화 과정을 통해 합성됩니다[19]. 일반적으로 첫 번째는 주로 불활성 분위기 또는 CO₂와 같은 가스의 존재에서 탄화 및 추가 활성화를 포함합니다. 또는 산화제[27], 화학적 활성화 과정은 먼저 ZnCl₂과 같은 활성화제를 추가하여 다공성 구조의 발달을 포함합니다. , NaOH, H₃ PO₄ 및 KOH [12, 28,29,30]. 연구에 따르면 ZnCl₂ 환경 문제와 무능한 회복으로 인해 그다지 바람직한 활성제가 아닙니다. 따라서 ZnCl₂를 통해 활성화된 AC 결과를 오염시킬 가능성이 있기 때문에 제약 및 농식품 산업용으로 적합하지 않습니다[20]. 다른 화학 시약 중에서 KOH는 표면적이 크고 기공이 잘 정의된 AC를 생성하므로 널리 사용되었습니다. Gonzalez et al. 체리 스톤의 KOH 활성화를 보고하여 정전용량이 큰 미세 다공성 AC를 생성했습니다[31]. Yushinet al. 열수 탄화와 KOH의 활성화를 통해 목재 톱밥 기반 AC를 합성하고 슈퍼 커패시터 성능을 연구했습니다[32]. Ranganathan et al. KOH를 활성화제로 사용하여 폐지로부터 ACs 합성을 설명했습니다. 180F g⁻¹ 의 특정 정전용량을 나타냅니다. KOH 전해질에서 [24]. 그는 외. 코크스로부터 AC를 합성하기 위해 급속 마이크로파 가열 기술을 사용하고 KOH-코크스 질량 비율과 활성화 시간을 연구했습니다[33]. 활성제는 탈수제가 여러 중간 생성물의 진행을 방지하는 것과 같이 공정 중에 중요한 역할을 합니다. 또한 다공성 크기 구조의 밀도를 증가시키고 활성화 시간과 온도를 감소시킵니다[24, 34, 35].

현재 작업에서 Kusha grass(Desmostachya bipinnata )은 활성탄 합성을 위한 친환경적이고 비용 효율적이며 탄소질 전구체로 많이 사용되었습니다. AC를 합성하기 위해 KOH를 활성화제로 사용하는 화학 공정이 더 나은 신뢰성으로 인해 채택되었습니다. 합성된 AC 재료는 UV 가시광선, 푸리에 변환 적외선 및 라만 분광기를 통해 특성화되었습니다. 또한, 구조적 특징의 검증에 접근하기 위해 합성된 물질을 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산 분광법(EDAX), TEM 및 XRD 기술로 특성화했습니다. 적용 목적을 위해 3전극 시스템으로 전극을 약간 수정하여 전기화학 및 검류계 전하 기술을 채택했습니다. GC 기술의 신뢰성으로 인해 슈퍼커패시턴스, 에너지 밀도 및 전류 밀도와 같은 다른 계산에 사용되었습니다. 준비된 AC는 잘 정의된 다공성 특성으로 인해 우수한 슈퍼커패시턴스 특성을 나타냅니다. 이후로, 이 연구는 생물 폐기물 Kusha 잔디(Desmostachya bipinnata ).

방법

자료

쿠샤 풀(Desmostachya bipinnata; DP)는 인도 바라나시 BHU 캠퍼스 식물원에서, 수산화칼륨(KOH), 유리질 탄소 전극(GCE) 및 알루미나 분말은 Sigma-Aldrich에서 조달했습니다. 모든 실험에 사용된 수용액은 탈이온수(DI> 18MΩ cm⁻¹ )를 사용하여 준비했습니다. , 밀리포어 Q 시스템).

합성된 샘플을 특성화하기 위해 다양한 분석 기술이 사용되었습니다. 합성된 활성탄의 구조적 특징과 결정질 특성에 접근하기 위해 CuK_α를 사용하여 PANalytical X-선 회절계에서 분말 X-선 회절을 수행했습니다. 방사선(λ =1.540 Å) 2θ에서 ~ 10°–80°. 합성된 물질의 미세구조 및 표면 형태는 투과전자현미경(TEM, TECHNAI G² 200kV에서 작동) 및 주사 전자 현미경(Dual FIB:200kV에서 작동하는 FEI Nanolab). TEM 샘플은 탄소 코팅된 그리드 위에 DP-AC 분말 현탁액을 드롭 캐스팅한 다음 DI 수에서 초음파 현탁액으로 제조했습니다. 또한, 합성된 활성탄의 일부 추가적인 구조적 특징은 라만 분광법에 의해 확인되었습니다. 라만 산란 측정은 라만 분광계(Renishaw inVia, UK)를 사용하여 532nm He-Ne 레이저 여기로 수행되었습니다. 또한, 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광계(Bruker ALPHA II)를 사용하여 합성된 샘플에 부착된 작용기의 존재를 조사했습니다. 광학 특성은 형광등을 통해 기록된 UV-가시광선 흡수 분광법(λ =365nm)(PerkinElmer, Lambda 25). 준비된 활성탄 샘플의 표면적 및 기공 크기 분포는 자동 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법(micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, USA)을 채택한 액체 질소 흡착/탈착 분석을 사용하여 측정되었습니다.

활성탄 합성

간단히 말해서, Kusha 잔디(DP)를 자르고 상청액이 무색으로 판명될 때까지 탈이온수로 부드럽게 여러 번 세척했습니다. DP를 100°C의 오븐에서 5시간 동안 보관하고 700°C의 머플로 지지대에서 2시간 동안 추가로 탄화했습니다. 활성화를 위해 막자사발을 사용하여 검증된 KOH(w/w 1:4)와 혼합한 후 균일한 혼합물을 수집했습니다. 또한, 아르곤 분위기에서 2시간 동안 700°C의 관형로에 보관했습니다. 혼합물을 실온으로 추가 냉각하고, 받은 그대로의 혼합물을 pH가 ~ 7이 될 때까지 탈이온수로 여러 번 세척했습니다. 마지막으로, 생성물을 활성탄으로 얻었고 추가 실험을 위해 용기에 안전하게 보관했습니다. 및 측정. 전체 프로세스는 그림 1에 나와 있습니다.

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Kusha grass(Desmostachya bipinnata)에서 활성탄 합성을 위한 전략적 경로의 그림 )

전극 준비

직경 ~ 0.3cm인 유리질 탄소 전극(GCE)을 알루미나 슬러리(0.05μm)로 연마했습니다. 다음 단계에서 탈이온수는 GCE 표면을 청소하는 데 사용되었습니다. 탈이온수로 3~4회 세척하고 탈이온수와 에탄올에서 15~20분 동안 추가로 초음파 처리했습니다. AC 증착을 위해 1mg의 활성 물질(AC)을 DI water(1mL)에 용해하고 15분 동안 초음파 처리했습니다. 또한 준비된 용액 10μL를 마이크로피펫을 사용하여 GCE 위에 떨어뜨리고 오염 방지를 위해 근처에 접촉하지 않고 램프 빛에서 건조했습니다.

전기화학 테스트

전기화학 실험은 각각 카운터, 기준 및 작업 전극으로 pt 와이어, Ag/AgCl 및 유리질 탄소 전극을 사용하는 3전극 시스템이 있는 CHI-660C 다중 채널 워크스테이션에서 수행되었습니다. 측정을 수행하기 위해 알칼리성 6M KOH 수성 전해질을 적용했습니다. 다양한 스캔 속도(10–200mV s⁻¹ )에서의 순환 전압전류법 )은 스위핑 전위 창 − 0.35 V ~ + 0.45 V로 수행되었습니다. 다양한 전기화학적 매개변수는 다음 방정식을 사용하여 액세스되었습니다[35,36,37].

특정 커패시턴스는 다음과 같이 평가되었습니다.

$$C_{{\text{s}}} =\frac{{I_{{{\text{Avg}}}} }}{\nu \times m}$$ (1)

여기서 $I_{{{\text{Avg}}}} =I_{\max } - I_{\min }$ 및 m 그리고 v 로딩 물질의 질량(g)과 스캔 속도(v/s)를 각각 나타냅니다. 또한 C _s 단위는 F g⁻¹ 입니다. .

검류계 충전-방전(GCD) 기술이 더 신뢰할 수 있고 더 정확한 결과를 제공하기 때문에 추가 계산을 위해 GCD 기술을 채택했습니다. 방정식을 사용하여 특정 커패시턴스를 계산했습니다.

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

나 , ∆t , ∆V , 및 m 현재(A ), 방전 기간(s ), 전압 창(V ), 적재 재료의 질량(g ), 각각.

또한 에너지 밀도(E ) 및 전력 밀도(P )는 방정식을 통해 추론되었습니다.

$$E =\frac{{c_{{\text{s}}} { } \times\Delta V^{{2{ }}} }}{7.2}\quad { }\left( {\text{Wh /kg}} \right)$$ (3) $$P =\frac{E \times 3600 }{{\Delta t}} \quad \left( {{\text{W}}/{\text{kg }}} \right).$$ (4)

결과 및 토론

X선 회절

합성된 활성탄 물질의 흑연화에 관한 정보에 접근하기 위해 XRD 기술이 채택되었습니다. XRD 프로파일(그림 2a)은 22°와 43°에서 활성탄 물질의 특성 피크를 명확하게 보여줍니다[38, 39]. 피크의 강도와 위치는 낮은 흑연화 정도, 결정 구조의 규칙성 및 K₂ 형성을 나타냅니다. CO₃ (2θ =36.52°) 중간 생성물 [40,41,42]. 또한, 얻어진 특성 피크는 DP-AC의 반사면 (002) 및 (100)에 할당할 수 있습니다. 스펙트럼의 넓은 피크는 비정질 탄소를 규정하는 반면, 22°에 할당된 피크의 선명도는 고온에서 탄소 샘플에서 증가된 병진 순서를 나타냅니다. 이러한 결과는 합성된 AC 물질의 성공적인 형성을 확인시켜줍니다.

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아 XRD 패턴 및 b 합성된 활성탄의 라만 스펙트럼

라만 분석

또한, 이 물질은 다양한 탄소질 물질을 특성화하는 가장 두드러진 기술인 라만 분광법에 의해 특성화되었습니다. 1346cm⁻¹ 에 위치한 활성탄 물질의 라만 스펙트럼에서 두 개의 가장 강렬한 피크가 관찰되었습니다. (D 피크) 및 1587cm⁻¹ (G 피크)는 그림 2b와 같습니다. D 피크는 활성탄 재료의 격자 결함, 가장자리 결함, 불완전한 정렬 및 낮은 대칭 흑연 구조의 특성[43]이고 두 번째 피크인 G 피크는 C=C 신축 진동의 발생을 나타냅니다[43]. 10]. 게다가 더 높은 파수 2678cm⁻¹ 에서 두 개의 밴드를 더 나타냅니다. (2D) 및 2840cm⁻¹ (S3) 탄소의 배음으로 인해 소수층 탄소 재료의 존재와 활성탄 재료의 흑연 특성을 나타냅니다[44].

또한, 흑연화 정도는 방정식을 통해 계산되었습니다.

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

여기서 R , 나 _D, 그리고 나 _G 흑연화 정도, 1346cm⁻¹ 에 위치한 D-피크의 강도를 나타냅니다. , 1587cm⁻¹ 에 위치한 G-피크의 강도 , 각각. 계산 후 R 값 ~ 0.84로 밝혀졌으며 이는 어느 정도 높은 흑연화 지수를 나타냅니다[10].

형태학적 특성화 및 에너지 분산 X선(EDX) 분석

합성된 물질의 미세구조적 특징과 표면 형태를 탐색하기 위해 그림 3a, b와 같은 주사전자현미경(SEM) 이미지를 분석했습니다. 형태는 합성된 DP-AC에 크고 불규칙한 기공의 존재를 시사합니다. 표면에 불규칙하고 무질서한 기공 구조의 발생은 시약 KOH의 격렬한 공격을 설명합니다. 열분해 동안 생성된 DP-AC 기공은 KOH 분자의 기공 내로의 확산을 촉진하여 활성탄의 표면적 및 기공 부피를 향상시키고 이에 따라 탄소 반응을 증가시키는 데 중요하며, 이는 여기에서 AC에서 추가 기공을 생성하는 것으로 가정됩니다. 활성탄 물질 표면의 큰 기공 크기 구조는 슈퍼커패시터와 같은 전하 저장 응용 분야에 유리합니다. 또한, 합성된 활성탄 물질(그림 3c)의 원소 분석은 에너지 분산 X선 분광 기술을 통해 수행되었으며 탄소, 산소 및 칼륨 원소의 존재를 밝힙니다.

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아 SEM 이미지(막대 눈금 10μm), b SEM 이미지(막대 눈금 2μm) 및 c 준비된 샘플의 EDAX 프로필

투과 전자 현미경(TEM) 및 입자 크기 분포

또한, 더 많은 구조적 정보, 준비된 샘플의 결정 품질 치수를 인증하기 위해 투과 전자 현미경(TEM)을 수행했습니다. TEM 이미지는 그림 4a, b에서 투명 사이트(노란색 원)로 볼 수 있는 여러 기공 크기 구조의 존재를 추론합니다. 또한, SAED 패턴은 그림 4a의 삽입 그림과 같이 활성탄 물질의 비정질 특성을 나타냅니다.

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아 TEM 이미지(바 스케일 100nm)(삽입:SAED 패턴), b 합성된 활성탄 물질의 다양한 크기의 다공성 구조(bar scale 50nm)를 보여주는 TEM 이미지

UV–가시광선 흡수 및 FTIR 분석

합성된 활성탄 재료의 UV-가시광 흡수 스펙트럼이 기록되었으며 그림 5a에 표시됩니다. 결합과 반결합 π 사이의 전자 전이로 인해 264nm에서 특징적인 흡수 피크를 갖습니다. -궤도.

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아 UV 가시광선 스펙트럼 및 b Kusha 풀에서 추출한 합성 활성탄 샘플의 FTIR 스펙트럼

합성된 활성탄 물질의 표면 화학적 특성은 FTIR 분광법으로 분석되었으며 그림 5b에 나와 있습니다. 활성탄 재료의 관련 작용기에 대한 세부 정보를 제공합니다. 3115cm⁻¹ 에서 흡수 밴드의 모양 2368.78cm의 작은 피크⁻¹ 히드록실 작용기의 -OH 신축 진동으로 인한 것 [10, 45, 46]_. 최대 1624.63cm⁻¹ 관련 -C=C 방향족 고리의 스트레칭_, 이는 더 높은 활성화 온도에서 더 안정적인 -C=C 그룹을 형성하기 위해 CH 결합의 분해로 인해 형성될 수 있습니다[47]. 1459.46, 1361.78, 1146.88, 1010.13, 862.72cm⁻¹ 의 강력한 흡수 밴드 –C–C(–C=C와 결합), –CH₃의 존재 확인 합성된 활성탄 재료의 진동, C-N 스트레칭, C-O 에스테르의 스트레칭 모드 및 – C-O 대칭 스트레칭 [39, 43, 47,48,49]. 또한 706.43cm⁻¹ 에서 강한 흡수 피크 합성된 DP-AC에서 –C=C 굽힘에 대한 속성

베팅 분석

N₂ 흡착 및 탈착 등온선

탄소 재료의 다공성은 합성 동안 시약 KOH를 통한 활성화로 생성되었습니다. 공극 구조와 표면적은 재료의 슈퍼커패시터 또는 울트라커패시터 능력에 중요한 요소로 간주됩니다[11]. 합성된 DP-AC는 N₂에 의해 분석되었습니다. 기공 구조 특성 및 표면적에 대한 BET 원리에 기초한 흡탈착 시험. 그림 6a는 K₂를 통해 활성화된 DP-AC의 질소 흡탈착 등온선을 나타냅니다. CO₃ . N₂의 모양 흡착-탈착 등온선은 등온선 II와 IV를 포함하는 혼합형 등온선으로 가정됩니다. 유형 I 및 II 등온선의 조합으로 가정되는 유형 II 등온선은 미세다공성의 존재를 나타냅니다. 초기 부분(오목한 모양)은 단층의 완전한 적용과 다층의 추가 흡수를 보여줍니다[11]. 따라서 유형 II 등온선은 미세다공성 및 미세다공성 구조에서 좋은 일치를 나타냅니다. 상대적으로 높은 압력에서 그래프 흡수는 히스테리시스 루프를 갖는 유형 IV 등온선을 현저하게 나타냅니다. 더욱이, 유형 IV 등온선은 테이퍼된 슬릿 같은 기공에서 발생하는 모세관 응축을 수반하는 단층 및 다층 흡착에 기인합니다. 또한 BET 방정식(Eq. 7)을 사용하여 표면적 및 기공 크기 직경을 평가했습니다.

$$\frac{1}{{Q\left( {\left( {\frac{{P_{0} }}{P}} \right) - 1)} \right)}} =\frac{1} {{Q_{m} C}} + \frac{C - 1}{{Q_{m} C}}\left( {\frac{P}{{P_{0} }}} \right)$$ ( 7)

여기서 (P /피 ₀ ) 상대 압력 및 Q를 나타냅니다. , 질문 _m , 및 C 는 각각 흡착된 기체의 무게, 단층으로 흡착된 물질, BET 상수를 나타냅니다. BET 표면적, 마이크로 및 메조세공 표면적, 총 세공 부피, 마이크로 및 메조세공 부피, DP-AC의 평균 세공 직경과 같은 표면적 매개변수가 추론되어 추가 파일 1:보충의 표 S2에 요약되어 있습니다. 정보 섹션.

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아 N₂ 흡착-탈착 분석 등온선(상대 압력(P) 사이의 관계를 보여주는 삽입 /피 ₀ ) 대 1/[Q (피 ₀ /P − 1)]), b BJH 플롯; 활성탄 재료의 기공 크기 분포 플롯(삽입은 DP-AC에 대한 중간 기공의 존재를 보여주는 확대도를 보여줍니다)

DP-AC의 기공 크기 분포

그림 6a(삽입)는 흡수된 양 대 상대 압력의 직선을 보여줍니다(P /피 ₀ ), 이는 총 표면적 계산에 대한 좋은 일치입니다. 그림 6b는 차동 부피에 대한 기공 크기 분포를 보여줍니다. 기공 크기 분포를 조사하기 위해 BJH 분석이 수행되었습니다. 제조된 활성탄 시료의 평균 기공 크기 직경과 너비는 각각 ~ 3.3nm 및 ~ 2.3nm인 것으로 나타났습니다. 해당하는 평균 모공 부피는 0.126cm³ 입니다. g⁻¹ . 그림 6b(삽입)는 DP-AC에 대한 BJH 차등 부피 및 기공 크기 직경 분포의 확대도를 보여줍니다. BET 등온선 곡선은 ~ 738.56m² 값을 갖는 표면적을 나타냅니다. g⁻¹ 이는 합성된 샘플에서 중간 및 거대 기공의 존재를 추론합니다. 표면 대 부피 비율이 높고 메조기공이 풍부한 재료는 각각 충분한 전하 저장(에너지 밀도)과 빠른 전하 이동 속도(전력 밀도)를 자극하며 고급 에너지 저장에서 결정적으로 두드러집니다.

전기화학 분석

순환 전압전류법(CV), 정전류 충전-방전(GCD) 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 분석이 슈퍼커패시터에 대한 DP-AC의 전기화학적 성능을 관찰하는 데 사용되었습니다. 모든 조사는 전해질 용액으로 6M KOH에서 3전극 시스템으로 수행되었습니다.

CV를 이용한 전기화학적 성능 평가는 그림 7a에 요약되어 있다. 그림은 10–200mV s⁻¹ 범위의 다양한 스캔 속도에서 CV 곡선을 보여줍니다. 0.35V ~ + 0.45V의 전위 창 내에서 AC의 순환 체적 곡선의 직사각형 모양을 보여줍니다. 그림 7b는 전기화학 에너지 저장 장치의 일반적인 특성을 보여줍니다. 낮은 스캔 속도는 낮은 스캔 속도에서 보다 높은 속도에서보다 더 높은 비정전용량 값을 나타내며, 전해질의 이온은 전극의 접근 가능한 기공으로 확산될 수 있으므로 전극의 이온과 기공 사이의 좋은 상호 작용을 허용하여 다음을 수행할 수 있습니다. 발생하다. 더 높은 속도에서 수산기 이온이 전해질에서 전극 표면으로 전달되는 시간의 가용성이 낮거나 접근성이 낮아 이온이 비정전용량을 감소시킵니다[50, 51]. 10V s⁻¹ 에서 최대 비정전용량을 관찰했습니다. 스캔 속도가 160에서 10V로 감소하는 동안 스캔 속도⁻¹ . 높은 표면적과 높은 다공성은 높은 정전용량을 갖는 데 중요한 역할을 합니다. 또한 CV의 닫힌 직사각형 모양은 결합된 미세 기공 및 메조 기공 부피의 최적화 및 우수한 전기 전도성에 기인합니다. 이제부터 가장 높은 비정전용량, C _SP as ~ 220.70 F g⁻¹ 10mV s⁻¹ 에서 발견되었습니다. 식을 사용하여 계산된 DP-AC의 경우 1.

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아 다양한 스캔 속도로 CV(Cyclic voltammogram) b CV를 통한 특정 커패시턴스, c 다양한 전류 밀도에서 정전류 충전-방전 곡선, d GCD를 통한 특정 커패시턴스, 0.7A g^-1 의 전류 밀도에서 초기 및 최종 주기로 최대 5000번째 주기까지 합성된 DP-AC 전극 재료의 주기 안정성

DP-AC의 이러한 우수한 성능은 빠른 전하 이동 및 저장을 가능하게 하는 전해질 이온에 중요한 역할을 하는 다공성 시트와 같은 구조에 기인합니다.

또한, 전기화학적 커패시턴스와 컬럼 효율은 서로 다른 전류 밀도 0.7, 0.9, 1.5, 1.8 및 2A에서 제어된 전류 상황에서 고정 전위 창에서 정전류 충방전 기술을 사용하여 전극 재료의 전기화학적 성능에서 추론되었습니다. g⁻¹ . 거의 삼각형 모양의 검류계 프로파일(그림 7c)을 표시하여 DP-AC 전극의 EDLC 특성을 나타냅니다. 최대 C _SP 218 F g⁻¹ 로 추론되었습니다. 0.7A g⁻¹ 의 전류 밀도에서 식의 DP-AC용 2. 그림 7d는 전류 밀도에 따른 비정전용량의 변화를 나타냅니다[52,53,54]. 전류 밀도가 점차 증가함에 따라 비정전용량은 천천히 감소합니다. 충전 전류가 빨라지면 전해질 이온이 전극 물질의 해당 기공으로 빠르게 확산되기 어려운 것으로 알려져 있다. 또한, 물질의 순환 안정성은 슈퍼커패시터의 실용화를 위한 중요한 매개변수이기 때문에 DP-AC 전극 물질의 순환성을 수행하였다. 그림 7e는 초기 비정전용량의 ~ 88%가 유지됨을 보여주고 있으며, 5000번째 사이클 이후에도 거의 열화되지 않고 급속 충방전이 가능함을 보여주고[50, 53, 54], 준비된 그대로의 내구성을 확인시켜준다. 자료.

실제 생활에서 에너지 저장 응용 분야를 위해 합성된 DP-AC 재료의 성능을 추가로 검증하기 위해 에너지 및 전력 밀도는 두 가지 중요한 매개변수로 간주되며 식을 사용하여 충전/방전 프로필에서 추론되었습니다. 3 및 4. 19.3Wh kg⁻¹ 의 최대 에너지 밀도를 나타냅니다. 277Wkg⁻¹ 의 상당히 우수한 전력 밀도 − 0.35 V ~ + 0.45 V 범위에서 평가되며 그림 8a에 나와 있습니다. 이에 라곤 플롯에 따라 전력밀도 손실이 없고 에너지 밀도가 향상된 슈퍼커패시터를 개발하여 실용화하였다. 또한 놀라운 C _SP 넓은 전위 창에서 합성된 DP-AC의 에너지 밀도가 충분히 증가함을 보여줍니다. 슈퍼커패시터 성능과 관련된 일부 확장 계산이 추론되어 추가 파일 1:Table.S1에 표시됩니다.

<그림>

아 Ragone plot for the GCD capacitor and b Nyquist plot of impedance for as-synthesized DP-AC

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique has been adopted to investigate the interfacial properties such as capacitive and resistive characters of the as-synthesized material at the electrode–electrolyte interface [52] through Nyquist plot (Fig. 8b) and Bode plot (Additional file 1:Fig.S1). Fig. 8b illustrates the Nyquist plot between – Z” (imaginary part) and Z’ (real part) measured in the frequency range of 0.01 Hz to 0.1 GHz at an AC amplitude of 5 mV in the open circuit potential. It shows electric resistance of 1.58 Ω along a small diameter of semicircle confirming high conductivity and low internal resistance. The intersection between the curve and horizontal axis represents the total electric resistance of the device. The diameter of the semicircle at high frequency owes to the charge transfer resistance between electrode material and electrolyte, and tail slope at low frequency attributes to the ionic diffusion rate in the electrolyte [55,56,57]. Therefore, an electrode with as-synthesized DP-AC suits well for supercapacitor applications.

결론

In summary, a very new facile and low-cost synthesis strategy has been illustrated in the present study for the development of activated carbon material with well-developed pores and high surface area from a natural precursor Kusha grass. It demonstrates a sustainable, eco-friendly, easy-to-employ, without any complex post-synthesis procedure for the energy storage application like a supercapacitor. The fabricated DP-AC with excellent properties has been used as an electrode material for electrochemical supercapacitors. The route enables a bit of modification of the electrode system with a loading of 1 × 10⁻⁵ g DP-AC sample and exhibits a significantly high collector current–mass ratio. The highest specific capacitance has been observed with the CV technique as 220.70 F g⁻¹ and with GCD as 218 F g⁻¹ in a wide operating potential window, which is comparably higher than reported works on the ground of green synthesis (Table 1). The fabricated supercapacitor shows a good energy density and power density as 19.3 Wh kg⁻¹ and 277.92 W kg⁻¹ , respectively, and good retention in capacitance at remarkably higher charging/discharging rates with excellent cycling stability. Henceforth, bio-waste Kusha grass-derived activated carbon (DP-AC) with optimal electrochemical performance can be explored successfully at a real scale, and electrochemical electrical energy store devices with Kusha grass-based AC material may be realized in a short period.