Роль и влияние расхода СО2 на структурообразование сверхвысокопористого активированного угля из хлопковых отходов, пропитанных H3PO4, используемого в качестве электродного материала суперконденсатора
Н. К. Тхач,
И. С. Кречетов,
В. В. Берестов,
О. И. Кан,
И. В. Маслоченко,
Т. Л. Лепкова,
С. В. Стаханова https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-4-489-497
Аннотация
Активированный уголь сверхвысокой пористости (АУ) был изготовлен из пропитанной H3PO4 отходов хлопка путем карбонизации в атмосфере аргона и физической активации в атмосфере CO2 с регулируемой скоростью потока и чрезвычайно высокой скоростью нагрева для обоих процессов до 585℃/мин и 751℃/мин соответственно. Наличие СО2 в процессе активации играет важную роль в формировании пористой структуры АУ. Полученный АУ представлял собой аморфный углерод и обладал выдающимися физическими и электрохимическими свойствами. Удельная поверхность и объем микропор АУ для образца СТ4 достигали 4800,7 м2/г и 2,499 см3/г соответственно. Распределение пор в АУ по размерам было в основном в микропористой области. Изготовлены электрические двойнослойные конденсаторы (ЭДСК) с активным электродом на основе переменного тока и раствором электролита 1 М тетрафторбората 1,1-диметилпирролидиния (DMP×BF4) в ацетонитриле (ACN). Электродный материал обладал высокой стабильностью и хорошими электрохимическими обратимыми свойствами. Удельная емкость материала электрода ухудшилась менее чем на 10 % с максимальным значением 105,7 Ф/г при 0,05 А/г при изменении удельного тока от 0,05 А/г до 15 А/г. После 8000 циклов заряда-разряда при плотности тока 1 А/г удельная емкость электродного материала на основе переменного тока, изготовленного при расходе СО2 более 200 мл/мин, ухудшилась менее чем на 15 % с максимальным значением 101,2 Ф/мин. грамм. Оптимальный расход СО2 для изготовления АУ на основе хлопка из отходов составляет 200 мл/мин. Полученный АУ может быть использован в качестве электродного материала для высокоэффективных суперконденсаторов.
Об авторах
Н. К. Тхач
National University of Science and Technology “MISIS”; College of electromechanical and civil engineering, Vietnam National University of Forestry
Россия
Россия
И. С. Кречетов
National University of Science and Technology “MISIS”
Россия
Россия
В. В. Берестов
National University of Science and Technology “MISIS”
Россия
Россия
О. И. Кан
National University of Science and Technology “MISIS”
Россия
Россия
И. В. Маслоченко
National University of Science and Technology “MISIS”
Россия
Россия
Т. Л. Лепкова
National University of Science and Technology “MISIS”
Россия
Россия
С. В. Стаханова
National University of Science and Technology “MISIS”; Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
Россия
Россия
Список литературы
1. S¸ ahin M., Blaabjerg F., and Sangwongwanich A. A Comprehensive Review on Supercapacitor Applications and Developments. Energies (Basel), 2022, 15(3), P. 674–699.
2. Kumar G.V.B., Kaliannan P., Padmanaban S., Holm-Nielsen J.B., and Blaabjerg F. Effective Management System for Solar PV Using Real-Time Data with Hybrid Energy Storage System. Applied Sciences, 2020, 10(3), P. 1108–1122.
3. Yang Y., Han Y., Jiang W., Zhang Y., Xu Y., and Ahmed A.M. Application of the Supercapacitor for Energy Storage in China: Role and Strategy. Applied Sciences, 2021, 12(1), P. 354–372.
4. Winter M., Brodd R.J. What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? Chem Rev, 2004, 104(10), P. 4245–4270.
5. Kotz R. and Carlen M. Principles and applications of electrochemical capacitors. ¨ Electrochim Acta, 2000, 45(15–16), P. 2483–2498.
6. Burke A. Ultracapacitors: why, how, and where is the technology. J. Power Sources, 2000, 91(1), P. 37–50.
7. Miller J.R. and Burke A. Electrochemical Capacitors: Challenges and Opportunities for Real-World Applications. Electrochem Soc Interface, 2008, 17(1), P. 53–57.
8. Luo Y., Li D., Chen Y., Sun X., Cao Q., and Liu X. The performance of phosphoric acid in the preparation of activated carbon-containing phosphorus species from rice husk residue. J. Mater. Sci., 2019, 54(6), P. 5008–5021.
9. Sych N.V., et al. Porous structure and surface chemistry of phosphoric acid activated carbon from corncob. Appl. Surf. Sci., 2012, 261, P. 75–82.
10. Yakout S.M. and Sharaf El-Deen G. Characterization of activated carbon prepared by phosphoric acid activation of olive stones. Arabian Journal of Chemistry, 2016, 9, P. S1155–S1162.
11. Adib M.R.M., et al. Effect of Phosphoric Acid Concentration on the Characteristics of Sugarcane Bagasse Activated Carbon. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., 2016, 136, P. 012061–012069.
12. Nahil M.A. and Williams P.T. Characterisation of Activated Carbons with High Surface Area and Variable Porosity Produced from Agricultural Cotton Waste by Chemical Activation and Co-activation. Waste Biomass Valorization, 2012, 3(2), P. 117–130.
13. Sartova K., Omurzak E., Kambarova G., Dzhumaev I., Borkoev B., and Abdullaeva Z. Activated carbon obtained from the cotton processing wastes. Diam. Relat. Mater., 2019, 91, P. 90–97.
14. Ma G. et al. Cotton-based porous activated carbon with a large specific surface area as an electrode material for high-performance supercapacitors. RSC Adv., 2015, 5(79), P. 64704–64710.
15. Nahil M.A. and Williams P.T. Pore characteristics of activated carbons from the phosphoric acid chemical activation of cotton stalks. Biomass Bioenergy, 2012, 37, P. 142–149.
16. Liou T.-H. Development of mesoporous structure and high adsorption capacity of biomass-based activated carbon by phosphoric acid and zinc chloride activation. Chemical Engineering Journal, 2009, 158, 2, P. 129–142.
17. Xia M., Shao X., Sun Z., and Xu Z. Conversion of cotton textile wastes into porous carbons by chemical activation with ZnCl2, H3PO4, and FeCl3. Environmental Science and Pollution Research, 2020, 27(20), P. 25186–25196.
18. Budinova T. et al. Characterization and application of activated carbon produced by H3PO4 and water vapor activation. Fuel Processing Technology, 2006, 87(10), P. 899–905.
19. Ma G. et al. Cotton-based porous activated carbon with a large specific surface area as an electrode material for high-performance supercapacitors. RSC Adv, 2015, 5(79), P. 64704–64710.
20. Wakelyn P.J. Cotton Fiber Chemistry and Technology. CRC Press, 2006.
21. Thach N.K., Krechetov I.S., Berestov V.V., Lepkova T.L., and Stakhanova S.V. Optimizing the carbonization temperature in the fabrication of waste cotton based activated carbon used as electrode material for supercapacitor. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2022, 13(5), P. 565–573.
22. Raveendran K. Pyrolysis characteristics of biomass and biomass components. Fuel, 1996, 75(8), P. 987–998.
23. Fu P., Hu S., Xiang J., Sun L., Su S., and An S. Study on the gas evolution and char structural change during pyrolysis of cotton stalk. J Anal Appl Pyrolysis, 2012, 97, P. 130–136.
24. Sing K.S.W. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity (Recommendations 1984). Pure and Applied Chemistry, 1985, 57(4), P. 603–619.
25. Thommes M. et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, 2015, 87(9–10), P. 1051–1069.
26. Schutter C., Pohlmann S., and Balducci A. Industrial Requirements of Materials for Electrical Double Layer Capacitors: Impact on Current and ¨ Future Applications. Adv Energy Mater, 2019, 9(25), P. 1900334–1900344.
Рецензия
Для цитирования:
Тхач Н.К., Кречетов И.С., Берестов В.В., Кан О.И., Маслоченко И.В., Лепкова Т.Л., Стаханова С.В. Роль и влияние расхода СО2 на структурообразование сверхвысокопористого активированного угля из хлопковых отходов, пропитанных H3PO4, используемого в качестве электродного материала суперконденсатора. Наносистемы: физика, химия, математика. 2023;14(4):489-497. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-4-489-497
For citation:
Thach N.K., Krechetov I.S., Berestov V.V., Kan O.I., Maslochenko I.A., Lepkova T.L., Stakhanova S.V. The role and effect of CO2 flow rate on the structure formation of ultrahigh porous activated carbon from H3PO4-impregnated waste cotton used as supercapacitor electrode material. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023;14(4):489-497. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-4-489-497
Просмотров:
4
Послать статью по эл. почте 