Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Fabrikasi Karbon Aktif dari Bio-Limbah Desmostachya bipinnata untuk Peningkatan Kinerja Superkapasitor

Abstrak

Di sini, kami mendemonstrasikan pembuatan karbon aktif kapasitif tinggi (AC) menggunakan limbah bio rumput Kusha (Desmostachya bipinnata ), dengan menggunakan proses kimia diikuti dengan aktivasi melalui KOH. Karbon aktif beberapa lapis yang disintesis telah dikonfirmasi melalui difraksi serbuk sinar-X, mikroskop elektron transmisi, dan teknik spektroskopi Raman. Lingkungan kimia dari sampel yang disiapkan telah diakses melalui FTIR dan spektroskopi UV-tampak. Luas permukaan dan porositas bahan yang disintesis telah diakses melalui metode Brunauer-Emmett-Teller. Semua pengukuran elektrokimia telah dilakukan melalui voltametri siklik dan metode pengisian/pengosongan galvanometrik (GCD), tetapi terutama, kami fokus pada GCD karena akurasi tekniknya. Selain itu, bahan AC yang disintesis menunjukkan kapasitansi spesifik maksimum sebagai 218 F g −1 di jendela potensial mulai dari  0,35 hingga + 0,45 V. Juga, AC menunjukkan kepadatan energi yang sangat baik sebesar ~ 19,3 Wh kg −1 dan kepadatan daya  ~ 277,92 W kg −1 , masing-masing, di jendela potensial operasi yang sama. Ini juga menunjukkan kemampuan retensi kapasitansi yang sangat baik bahkan setelah siklus ke-5000. Superkapasitor yang dibuat menunjukkan kepadatan energi dan kepadatan daya yang baik, masing-masing, dan retensi yang baik dalam kapasitansi pada tingkat pengisian/pengosongan yang jauh lebih tinggi dengan stabilitas siklus yang sangat baik. Selanjutnya, bio-limbah karbon aktif yang diturunkan dari rumput Kusha (DP-AC) menunjukkan harapan yang baik dan dapat diterapkan dalam aplikasi superkapasitor karena sifat elektrokimia yang luar biasa. Di sini, kami membayangkan bahwa hasil kami menggambarkan pendekatan yang sederhana dan inovatif untuk mensintesis karbon aktif yang diturunkan dari rumput (DP-AC) limbah bio-limbah Kusha sebagai bahan elektroda superkapasitor yang muncul dan memperluas aplikasi praktisnya dalam bidang penyimpanan energi elektrokimia.

Pengantar

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak perhatian telah diberikan pada pengembangan model penyimpanan energi berkelanjutan yang menjanjikan yang mencakup perangkat konversi dan penyimpanan dalam mengejar urgensi energi global [1,2,3]. Perangkat penyimpanan energi seperti baterai dan superkapasitor memainkan peran yang sangat signifikan, efisien, dan terjangkau dalam menghasilkan sumber energi terbarukan dan berkelanjutan dan merupakan alternatif yang layak untuk opsi tradisional yang tidak terbarukan. Superkapasitor telah muncul sebagai perangkat penyimpanan energi berkelanjutan yang paling menjanjikan karena siklus hidup yang panjang, kepadatan daya yang tinggi, dan waktu pengisian/pengosongan yang sangat cepat [4,5,6,7,8]. Selain itu, karena area penelitian yang berkembang dari bahan nano berbasis karbon seperti graphene, nanotube, nanodots, dan quantum dots, pengembangan intensif perangkat penyimpanan energi superkapasitor juga telah meningkat [9,10,11]. Studi mengungkapkan banyak penelitian telah difokuskan pada sintesis bahan dan kompositnya dengan hibrida lain yang menunjukkan kapasitansi tinggi, jendela potensial lebar, impedansi lebih rendah, dan retensi kapasitif yang baik [12]. Juga, fabrikasi elektroda telah menarik perhatian luas dengan beban massa yang tinggi dari bahan aktif dan rasio massa terhadap kolektor saat ini [13, 14].

Superkapasitor berdasarkan bahan karbon telah dipelajari secara luas dan menawarkan jendela potensial yang luas yang mengarah ke kepadatan energi yang tinggi dengan adanya elektrolit organik [15, 16]. Oleh karena itu, superkapasitor berbasis karbon menunjukkan resistansi tinggi dan kapasitansi rendah. Namun, elektrolit organik bersifat toksik, mudah terbakar, dan relatif mahal [15]. Karbon nanotube, graphene, dll., sampai batas tertentu terlalu tinggi pada metode persiapan dan ketersediaan bahan utama dan menahan aplikasi skala besar mereka. Oleh karena itu, penelitian yang berhubungan dengan beberapa perubahan untuk bahan karbon yang berbeda telah dilakukan untuk meningkatkan potensi jendela, kinerja superkapasitansi, dan impedansi yang lebih rendah dengan metode yang ramah lingkungan, hemat biaya, dan mudah digunakan [17, 18].

Karbon aktif memiliki luas permukaan yang tinggi, asosiasi fungsional yang cukup, dan porositas yang cukup telah banyak digunakan untuk adsorpsi, penyimpanan gas, pemisahan gas, dukungan katalis, penghilangan warna pelarut, pemulihan pelarut, elektroda, dan superkapasitor selama beberapa dekade terakhir. Struktur berpori dan sifat lainnya seperti luas permukaan yang tinggi, volume pori, keberadaan berbagai jenis gugus fungsi, dan distribusi ukuran pori memainkan peran penting dalam aplikasi terkait penyerapan karbon aktif [18]. Tergantung pada ukuran pori, karbon aktif dapat digunakan dalam berbagai bidang aplikasi seperti pori mikro digunakan dalam adsorpsi molekul yang lebih kecil, sedangkan mesopori banyak digunakan dalam adsorpsi molekul yang lebih besar [19, 20].

Banyak faktor yang mempengaruhi sifat-sifat karbon aktif seperti bahan baku, jalur sintesis, reagen pengaktif, dan kondisi lingkungan selama proses aktivasi. AC disintesis dengan mengadopsi rute sintesis yang berbeda dan prekursor yang bio-limbah/tersedia secara alami seperti batok kelapa [21], nimba [22], tepung jagung [23], kertas bekas daur ulang [24], ban bekas [25], dan serat pisang [26]. AC terutama disintesis melalui proses aktivasi fisik dan kimia [19]. Biasanya, yang pertama terutama melibatkan karbonisasi dan aktivasi lebih lanjut dalam atmosfer inert atau adanya gas seperti CO2 atau oksidator [27], sedangkan proses aktivasi kimia pertama meliputi pengembangan struktur berpori dengan menambahkan agen pengaktif seperti ZnCl2 , NaOH, H3 PO4 , dan KOH [12, 28,29,30]. Menurut penelitian, ZnCl2 bukan agen aktif yang lebih disukai karena masalah lingkungan dan pemulihan yang tidak kompeten. Oleh karena itu, AC diaktifkan melalui ZnCl2 belum cocok untuk keperluan industri farmasi dan agro-pangan karena memiliki kemungkinan mencemari hasil [20]. Di antara reagen kimia lainnya, KOH telah banyak digunakan karena menghasilkan AC dengan luas permukaan yang tinggi dan pori-pori yang terdefinisi dengan baik. Gonzales dkk. melaporkan aktivasi KOH batu ceri menghasilkan ACs mikro dengan kapasitansi besar [31]. Yushin dkk. mensintesis ACs berbasis serbuk gergaji kayu melalui karbonisasi hidrotermal, diikuti dengan aktivasi dari KOH, dan mempelajari kinerja superkapasitornya [32]. Ranganathan dkk. menggambarkan sintesis ACs dari kertas bekas menggunakan KOH sebagai agen pengaktif. Ini menunjukkan kapasitansi spesifik 180 F g −1 dalam elektrolit KOH [24]. Dia dkk. menggunakan teknik pemanasan gelombang mikro cepat untuk mensintesis ACs dari kokas dan mempelajari rasio massa KOH-kokas dan waktu aktivasi [33]. Agen pengaktif memainkan peran penting selama proses seperti agen dehidrasi mencegah perkembangan beberapa produk antara. Ini juga meningkatkan kepadatan struktur berukuran berpori dan mengurangi waktu aktivasi serta suhu [24, 34, 35].

Dalam karya ini, rumput Kusha (Desmostachya bipinnata ) telah digunakan sebagai prekursor karbon yang ramah lingkungan, hemat biaya, dan banyak untuk sintesis karbon aktif. Untuk mensintesis AC, proses kimia yang melibatkan KOH sebagai agen pengaktif telah diadopsi karena keandalannya yang lebih baik. Bahan AC yang disintesis telah dikarakterisasi melalui UV-terlihat, inframerah transformasi Fourier, dan spektroskopi Raman. Selanjutnya, untuk mengakses validasi fitur struktural, bahan yang disintesis telah dikarakterisasi dengan teknik pemindaian mikroskop elektron (SEM), spektroskopi dispersi energi (EDAX), TEM, dan XRD. Untuk tujuan aplikasi, teknik pengisian elektrokimia dan galvanometrik telah diadopsi dengan mengikuti sedikit modifikasi pada elektroda dengan sistem tiga elektroda. Karena keandalan teknik GC, telah digunakan untuk perhitungan lain seperti superkapasitansi, rapat energi, dan rapat arus. Ini mengungkapkan bahwa AC yang disiapkan menunjukkan sifat superkapasitansi yang sangat baik karena fitur berpori yang terdefinisi dengan baik. Selanjutnya, penelitian ini memberikan yang pertama dari jenisnya berurusan dengan fabrikasi karbon aktif kapasitif tinggi (AC) menggunakan rumput Kusha limbah bio (Desmostachya bipinnata ).

Metode

Materi

Rumput kusha (Desmostachya bipinnata; DP) dikumpulkan dari kebun raya kampus BHU, Varanasi, India, sedangkan kalium hidroksida (KOH), elektroda karbon kaca (GCE), dan bubuk alumina diperoleh dari Sigma-Aldrich. Larutan berair yang digunakan di seluruh eksperimen disiapkan dengan menggunakan air deionisasi (DI > 18 MΩ cm −1 , sistem Millipore Q).

Teknik analisis yang berbeda telah digunakan untuk mengkarakterisasi sampel yang disintesis. Untuk mengakses fitur struktural dan sifat kristal dari karbon aktif yang disintesis, difraksi sinar-X serbuk dilakukan pada difraktometer sinar-X PANalytical menggunakan CuKα radiasi (λ = 1,540 Å) pukul 2θ ~ 10°–80°. Struktur mikro dan morfologi permukaan bahan yang disintesis dipelajari dengan mikroskop elektron transmisi (TEM, TECHNAI G 2 dioperasikan pada 200 kV) dan mikroskop elektron pemindaian (Dual FIB:FEI Nanolab dioperasikan pada 200 kV). Sampel TEM disiapkan dengan drop-casting suspensi bubuk DP-AC di atas kisi berlapis karbon diikuti dengan suspensi ultrasonik dalam air DI. Selanjutnya, beberapa fitur struktural tambahan dari karbon aktif yang disintesis dikonfirmasi oleh spektroskopi Raman. Pengukuran hamburan Raman dilakukan dengan eksitasi laser He-Ne 532-nm menggunakan spektrometer Raman (Renishaw inVia, UK). Selain itu, spektrometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) (Bruker ALPHA II) digunakan untuk menyelidiki keberadaan gugus fungsi yang melekat pada sampel yang disintesis. Sifat optik dievaluasi dengan spektroskopi penyerapan cahaya UV-tampak yang direkam melalui lampu fluoresen (λ = 365 nm) (PerkinElmer, Lambda 25). Luas permukaan dan distribusi ukuran pori sampel karbon aktif yang disiapkan diukur dengan menggunakan analisis adsorpsi/desorpsi nitrogen cair yang mengadopsi metode otomatis Brunauer–Emmett–Teller (BET) (mikromeritik FlowPrer 060, Gemini VII, USA).

Sintesis Karbon Aktif

Secara singkat rumput kusha (DP) dipotong dan dicuci beberapa kali dengan air DI sampai supernatannya tidak berwarna. DP disimpan dalam oven pada suhu 100 °C selama 5 jam dan selanjutnya dikarbonisasi selama 2 jam dalam tungku peredam pada suhu 700 °C. Untuk aktivasi, dicampur dalam KOH terbukti (b/b 1:4) dengan bantuan mortar-alu, dan selanjutnya, campuran homogen dikumpulkan. Selanjutnya, disimpan dalam tungku tubular pada 700 °C selama 2 jam dalam suasana argon. Campuran selanjutnya didinginkan hingga suhu kamar, dan campuran yang diterima dicuci beberapa kali dengan air DI sampai pH mencapai nilai  ~ 7. Akhirnya, kami mendapatkan produk sebagai karbon aktif dan menyimpannya dengan aman di dalam wadah untuk percobaan lebih lanjut. dan pengukuran. Proses keseluruhan diilustrasikan pada Gambar. 1.

Ilustrasi jalur strategis sintesis karbon aktif dari rumput kusha (Desmostachya bipinnata )

Persiapan Elektroda

Elektroda karbon kaca (GCE) dengan diameter ~ 0,3 cm dipoles dengan bubur alumina (0,05 μm). Pada tahap selanjutnya, air DI digunakan untuk membersihkan permukaan GCE. Itu dicuci 3-4 kali dengan air DI dan selanjutnya disonikasi selama 15-20 menit dalam air DI dan etanol. Untuk pengendapan AC, 1 mg bahan aktif (AC) dilarutkan dalam air DI (1 mL) dan disonikasi selama 15 menit. Selanjutnya, 10 μL larutan yang telah disiapkan diteteskan di atas GCE, dengan bantuan mikropipet, dan dikeringkan dalam cahaya lampu tanpa kontak terdekat untuk mencegah kontaminasi.

Pengujian Elektrokimia

Telah dilakukan percobaan elektrokimia pada stasiun kerja multisaluran CHI-660C dengan sistem tiga elektroda masing-masing menggunakan kawat pt, Ag/AgCl, dan elektroda glassy carbon sebagai elektroda counter, reference, dan working. Elektrolit berair KOH 6 M basa diterapkan untuk melakukan pengukuran. Voltametri siklik pada kecepatan pemindaian yang berbeda (10–200 mV s −1 ) dilakukan dengan jendela potensial sapuan  0,35 V hingga + 0,45 V. Parameter elektrokimia yang berbeda telah diakses dengan menggunakan persamaan berikut [35,36,37].

Kapasitansi spesifik telah dievaluasi sebagai

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

di mana \(I_{{{\text{Rata-rata}}}} =I_{\max } - I_{\min }\) dan juga m dan ν mewakili massa bahan pemuatan (g) dan laju pemindaian (v/s), masing-masing. Selain itu, C s memiliki satuan F g −1 .

Karena teknik galvanometric charge-discharge (GCD) lebih dapat diandalkan dan memberikan hasil yang lebih akurat, kami telah mengadopsi teknik GCD untuk perhitungan lebih lanjut. Kami menghitung kapasitansi spesifik dengan menggunakan persamaan

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

dimana Aku , t , V , dan m mewakili arus (A ), periode pemakaian (s ), jendela tegangan (V ), dan massa bahan pemuatan (g ), masing-masing.

Selanjutnya, kepadatan energi (E ) dan kepadatan daya (P ) telah disimpulkan melalui persamaan

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

Hasil dan Diskusi

Difraksi sinar-X

Untuk mengakses informasi mengenai grafitisasi bahan karbon aktif hasil sintesis, teknik XRD telah diadopsi. Profil XRD (Gbr. 2a) dengan jelas menunjukkan puncak karakteristik bahan karbon aktif pada 22° dan 43° [38, 39]. Intensitas dan posisi puncak mengungkap rendahnya derajat grafitisasi, keteraturan struktur kristal, dan pembentukan K2 CO3 (2θ = 36,52°) sebagai produk antara [40,41,42]. Selanjutnya, puncak karakteristik yang diperoleh dapat ditetapkan ke bidang refleksi (002) dan (100) untuk DP-AC. Puncak luas dalam spektrum menentukan karbon amorf, sedangkan ketajaman puncak yang ditetapkan pada 22° menunjukkan peningkatan urutan translasi dalam sampel karbon pada suhu tinggi. Hasil ini mengkonfirmasi keberhasilan pembentukan material AC yang disintesis.

a Pola XRD dan b Spektrum Raman dari karbon aktif yang disintesis

Analisis Raman

Selanjutnya, bahan tersebut telah dikarakterisasi dengan spektroskopi Raman, teknik yang paling menonjol untuk mengkarakterisasi berbagai bahan berkarbon. Ada dua puncak paling intens yang diamati dalam spektrum Raman dari bahan karbon aktif yang diposisikan pada 1346 cm −1 (puncak D) dan 1587 cm −1 (G puncak) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Puncak D adalah karakteristik cacat kisi, ketidaksempurnaan tepi, keselarasan yang tidak rapi, dan struktur grafit simetri rendah pada bahan karbon aktif [43], dan puncak kedua, yaitu puncak G, menunjukkan terjadinya getaran peregangan C=C [43]. 10]. Selain itu, ia menunjukkan dua pita lagi pada bilangan gelombang yang lebih tinggi 2678 cm −1 (2D) dan 2840 cm −1 (S3) karena overtone karbon dan menunjukkan adanya beberapa lapisan material karbon dan sifat grafit dari material karbon aktif [44].

Selanjutnya, derajat grafitisasi telah dihitung melalui persamaan

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

dimana R , Aku D, dan Aku G mewakili derajat grafitisasi, intensitas puncak D yang diposisikan pada 1346 cm −1 , dan intensitas puncak G yang diposisikan pada 1587 cm −1 , masing-masing. Setelah perhitungan, nilai R telah ditemukan menjadi ~ 0.84, yang mengacu pada indeks grafitisasi yang lebih tinggi sampai batas tertentu [10].

Karakterisasi Morfologi dan Analisis Energi-Dispersive X-Ray (EDX)

Untuk mengeksplorasi fitur mikrostruktur dan morfologi permukaan bahan yang disintesis, gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, b telah dianalisis. Morfologi menunjukkan adanya pori-pori besar yang tidak teratur di DP-AC yang disintesis. Terjadinya struktur pori yang tidak teratur dan tidak teratur pada permukaan menyebabkan serangan kekerasan reagen KOH. Pori-pori DP-AC yang dikembangkan selama pirolisis sangat penting untuk meningkatkan luas permukaan dan volume pori karbon aktif dengan mempromosikan difusi molekul KOH ke dalam pori-pori dan dengan demikian meningkatkan reaksi karbon, yang di sini diasumsikan menghasilkan pori-pori tambahan di AC. Struktur ukuran pori yang besar pada permukaan bahan karbon aktif telah menguntungkan untuk aplikasi penyimpanan muatan seperti superkapasitor. Selain itu, analisis unsur dari bahan karbon aktif yang disintesis (Gbr. 3c) telah dilakukan melalui teknik spektroskopi sinar-X dispersi energi dan mengungkapkan keberadaan unsur karbon, oksigen, dan kalium di dalamnya.

a Gambar SEM (skala batang 10 μm), b Gambar SEM (skala batang 2 μm), dan c Profil EDAX dari sampel yang telah disiapkan

Transmission Electron Microscopy (TEM) dan Distribusi Ukuran Partikel

Selanjutnya, untuk mengotentikasi lebih banyak informasi struktural, dimensi kualitas kristal dari sampel yang disiapkan, mikroskop elektron transmisi (TEM) telah dilakukan. Gambar TEM menyimpulkan adanya beberapa struktur ukuran pori yang dapat dilihat sebagai situs transparan (dilingkari dengan warna kuning) pada Gambar 4a, b. Selain itu, pola SAED mengungkapkan sifat amorf dari bahan karbon aktif seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 4a.

a Gambar TEM (skala batang 100 nm) (sisipan:pola SAED), b Gambar TEM menunjukkan berbagai ukuran struktur berpori (skala batang 50 nm) dari bahan karbon aktif yang disintesis

Analisis FTIR dan Penyerapan Cahaya UV–Visible

Spektrum serapan UV-tampak dari bahan karbon aktif yang disintesis telah dicatat dan ditunjukkan pada Gambar 5a. Ia memiliki puncak penyerapan karakteristik pada 264 nm karena transisi elektronik antara ikatan dan antiikatan π -orbital.

a Spektrum UV–tampak dan b Spektrum FTIR, dari sampel karbon aktif hasil sintesis turunan rumput Kusha

Sifat kimia permukaan bahan karbon aktif hasil sintesis telah dianalisis dengan spektroskopi FTIR dan ditunjukkan pada Gambar 5b. Ini memberikan rincian kelompok fungsional terkait dalam bahan karbon aktif. Munculnya pita serapan pada 3115 cm −1 dan puncak kecil pada 2368,78 cm −1 disebabkan oleh vibrasi ulur OH gugus fungsi hidroksil [10, 45, 46]. Puncaknya pada 1624,63 cm −1 dikaitkan C=C peregangan cincin aromatik, yang mungkin terbentuk karena penguraian ikatan C–H untuk membentuk gugus –C=C yang lebih stabil pada suhu aktivasi yang lebih tinggi [47]. Pita serapan kuat pada 1459.46, 1361.78, 1146.88, 1010.13, dan 862.72 cm −1 konfirmasi adanya –C–C (terkonjugasi dengan –C=C),  –CH3 getaran, peregangan C–N, mode peregangan C–O dari ester, dan peregangan simetris – C–O [39, 43, 47,48,49] masing-masing dalam bahan karbon aktif yang disintesis. Selain itu, puncak serapan kuat pada 706,43 cm −1 atribut ke –C=C lentur di DP-AC yang disintesis.

Analisis BET

N2 Isoterm Adsorpsi dan Desorpsi

Porositas dalam bahan karbon telah dihasilkan dengan aktivasi melalui reagen KOH selama sintesis. Struktur pori dan luas permukaan dianggap sebagai faktor penting untuk kemampuan superkapasitor atau ultrakapasitor bahan [11]. DP-AC yang telah disintesis telah dianalisis oleh N2 uji adsorpsi-desorpsi berdasarkan prinsip BET untuk karakteristik struktur pori dan luas permukaan. Gambar 6a menggambarkan isoterm adsorpsi–desorpsi nitrogen dari DP-AC yang diaktifkan melalui K2 CO3 . Bentuknya N2 Isoterm adsorpsi-desorpsi diasumsikan sebagai isoterm tipe campuran, yaitu termasuk isoterm II dan IV. Isoterm tipe II yang diasumsikan sebagai kombinasi dari isoterm tipe I dan II menunjukkan adanya sifat mikropori. Bagian awal (bentuk cekung) menunjukkan cakupan lengkap monolayer dan penyerapan lebih lanjut dari multilayer [11]. Oleh karena itu, isoterm tipe II mengungkapkan kesepakatan yang baik dalam struktur mikro dan mikro. Pada tekanan yang relatif lebih tinggi, serapan grafik sangat menandakan isoterm tipe IV yang memiliki loop histeresis. Selain itu, isoterm tipe IV menganggap adsorpsi monolayer dan multilayer yang menyertai kondensasi kapiler yang terjadi di pori-pori seperti celah yang meruncing. Selanjutnya, luas permukaan dan diameter ukuran pori telah dievaluasi menggunakan persamaan BET (Persamaan 7).

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

dimana (P /P 0 ) mewakili tekanan relatif dan Q , T m , dan C mewakili berat gas teradsorpsi, adsorbat sebagai monolayer, dan konstanta BET, masing-masing. Parameter luas permukaan seperti luas permukaan BET, luas permukaan mikro dan mesopori, volume pori total, volume mikro dan mesopori, dan diameter pori rata-rata DP-AC telah disimpulkan dan dirangkum dalam File tambahan 1:Tabel S2 dari Tambahan Bagian informasi.

a N2 isoterm analisis adsorpsi-desorpsi (inset menunjukkan hubungan antara tekanan relatif (P /P 0 ) versus 1/[Q (P 0 /P −  1)]), b petak BJH; plot distribusi ukuran pori bahan karbon aktif (inset menunjukkan tampilan diperbesar yang menunjukkan keberadaan mesopori untuk DP-AC)

Distribusi Ukuran Pori DP-AC

Gambar 6a (inset) menunjukkan garis lurus untuk kuantitas yang diserap vs tekanan relatif (P /P 0 ), yang merupakan kesepakatan yang baik untuk perhitungan luas permukaan total. Gambar 6b menunjukkan distribusi ukuran pori terhadap volume diferensial. Untuk menyelidiki distribusi ukuran pori, analisis BJH telah dilakukan. Rata-rata diameter ukuran pori dan lebar sampel karbon aktif yang disiapkan telah ditemukan masing-masing sebagai ~ 3,3 nm dan ~ 2,3 nm. Volume pori rata-rata yang sesuai adalah 0,126 cm 3 g −1 . Gambar 6b ​​(sisipan) menggambarkan tampilan yang diperbesar dari volume diferensial BJH dan distribusi diameter ukuran pori untuk DP-AC. Kurva isoterm BET menunjukkan luas permukaan yang memiliki nilai  ~ 738.56 m 2 g −1 , yang menyimpulkan keberadaan meso- dan makropori dalam sampel yang disintesis. Bahan yang memiliki rasio permukaan-ke-volume tinggi dan kelimpahan mesopori masing-masing merangsang penyimpanan muatan (densitas energi) dan kinetika transfer muatan cepat (densitas daya), dan sangat menonjol dalam penyimpanan energi tingkat lanjut.

Analisis Elektrokimia

Voltametri siklik (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD), dan analisis spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) telah digunakan untuk mengamati kinerja elektrokimia DP-AC untuk superkapasitor. Semua penyelidikan telah dilakukan dengan sistem tiga elektroda dalam 6 M KOH sebagai larutan elektrolit.

Evaluasi kinerja elektrokimia menggunakan CV diringkas pada Gambar 7a. Gambar tersebut menggambarkan kurva CV pada kecepatan pemindaian yang bervariasi dalam kisaran 10–200 mV s −1 dalam jendela potensial 0,35 V hingga + 0,45 V dan menunjukkan bentuk persegi panjang dari kurva volumetrik siklik AC. Gambar 7b menampilkan karakteristik umum perangkat penyimpanan energi elektrokimia. Laju pemindaian yang rendah menunjukkan nilai kapasitansi spesifik yang lebih tinggi daripada laju yang lebih tinggi karena pada laju pemindaian yang rendah, ion-ion dalam elektrolit dapat berdifusi ke dalam pori-pori elektroda yang dapat diakses, memungkinkan interaksi yang baik antara ion dan pori-pori elektroda untuk terjadi. Pada tingkat yang lebih tinggi, aksesibilitas yang buruk atau ketersediaan waktu yang lebih sedikit untuk ion hidroksil untuk ditransfer dari elektrolit ke permukaan elektroda, dan dengan demikian ion menyebabkan kapasitansi spesifik menurun [50, 51]. Kami telah mengamati kapasitansi spesifik maksimum pada 10 V s −1 kecepatan pemindaian, sedangkan kecepatan pemindaian diturunkan dari 160 menjadi 10 V s −1 . Luas permukaan yang tinggi dan porositas yang tinggi memainkan peran penting untuk memiliki kapasitansi yang tinggi. Selain itu, bentuk persegi panjang tertutup dari CV dikaitkan dengan optimalisasi gabungan mikropori dan volume mesopori serta konduktivitas listrik yang baik. Selanjutnya, kapasitansi spesifik tertinggi, C SP as ~ 220,70 F g −1 telah ditemukan pada 10 mV s −1 untuk DP-AC dihitung menggunakan Persamaan. 1.

a Voltammogram siklik (CV) pada kecepatan pemindaian yang berbeda, b kapasitansi spesifik melalui CV, c kurva muatan–muatan galvanostatik pada rapat arus yang berbeda, d kapasitansi spesifik melalui GCD, e stabilitas siklik dari bahan elektroda DP-AC yang disintesis hingga siklus ke-5000 dengan siklus awal dan akhir pada rapat arus 0,7 A g −1

Performa luar biasa dari DP-AC ini dikaitkan dengan struktur seperti lembaran berpori yang memainkan peran penting untuk ion elektrolit yang memungkinkan pengangkutan dan penyimpanan muatan dengan cepat.

Selanjutnya, kapasitansi elektrokimia dan efisiensi kolom telah disimpulkan dari kinerja elektrokimia dari bahan elektroda dengan menggunakan teknik charge-discharge galvanostatik dalam jendela potensial tetap pada situasi arus terkontrol pada kerapatan arus yang berbeda 0,7, 0,9, 1,5, 1,8, dan 2 A g −1 . Ini menampilkan profil galvanometrik berbentuk hampir segitiga (Gbr. 7c), menandakan karakteristik EDLC pada elektroda DP-AC. C . maksimum SP telah disimpulkan sebagai 218 F g −1 pada rapat arus 0,7 A g −1 untuk DP-AC dari Persamaan. 2. Gambar 7d menggambarkan variasi kapasitansi spesifik dengan rapat arus [52,53,54]. Ketika kerapatan arus meningkat secara bertahap, kapasitansi spesifik menurun perlahan. Diketahui bahwa ketika arus pengisian menjadi lebih cepat, sulit bagi ion elektrolit untuk berdifusi dengan cepat ke dalam pori-pori bahan elektroda yang sesuai. Selain itu, karena stabilitas siklik material merupakan parameter penting untuk penggunaan praktis superkapasitor, siklabilitas material elektroda DP-AC telah dilakukan. Gambar 7e menunjukkan bahwa ~ 88% dari kapasitansi spesifik awal dipertahankan dan menunjukkan kemampuannya untuk pengisian dan pengosongan yang cepat tanpa hampir tidak ada degradasi bahkan setelah siklus ke-5000 [50, 53, 54] dan pada gilirannya menegaskan daya tahan dari yang disiapkan materi.

Untuk lebih memvalidasi kinerja bahan DP-AC yang disintesis untuk aplikasi penyimpanan energi dalam kehidupan praktis, kepadatan energi dan daya dianggap sebagai dua parameter penting dan telah disimpulkan dari profil pengisian/pengosongan menggunakan Persamaan. 3 dan 4. Ini menunjukkan kepadatan energi maksimum 19,3 Wh kg −1 dengan kepadatan daya yang cukup baik sebesar 277 W kg −1 seperti yang dievaluasi dalam rentang  0,35 V hingga + 0,45 V dan ditunjukkan pada Gambar. 8a. Jadi, sesuai dengan plot Ragone, kami telah mengembangkan superkapasitor dengan densitas energi yang ditingkatkan dan tanpa kehilangan densitas daya yang dapat digunakan secara praktis. Juga, C . yang luar biasa SP di jendela potensial lebar menunjukkan peningkatan yang cukup dalam kepadatan energi DP-AC yang disintesis. Beberapa perhitungan yang diperluas terkait dengan kinerja superkapasitor telah disimpulkan dan dengan demikian ditampilkan dalam file tambahan 1:Tabel.S1.

a Plot Ragone untuk kapasitor GCD dan b Plot impedansi Nyquist untuk DP-AC yang disintesis

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.

Kesimpulan

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.

Ketersediaan data dan materi

The used datasheets and materials are available from the corresponding authors on reasonable request.

Singkatan

DP:

Desmostachya bipinnata

AC:

Karbon aktif

KOH:

Kalium hidroksida

GCE:

Glassy carbon electrode

XRD:

Difraksi serbuk sinar-X

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

SEM:

Pemindaian mikroskop elektron

EDAX:

Spektroskopi sinar-X dispersi energi

FTIR:

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

Taruhan:

Brunauer–Emmett–Teller

CV:

Voltametri siklik

GCD:

Galvanostatic charge–discharge

EIS:

Spektroskopi impedansi elektrokimia


bahan nano

  1. Membandingkan kinerja pelumasan Anda untuk meningkatkan keandalan
  2. 3 Kunci untuk Peningkatan Kinerja Pabrik
  3. Menilai Keuntungan DevOps Untuk Pengujian Kinerja IoT
  4. Komposit Grafena dan Polimer untuk Aplikasi Superkapasitor:Tinjauan
  5. Serat Karbon Aktif dengan Struktur Nano Hierarki Berasal dari Limbah Sarung Tangan Kapas sebagai Elektroda Kinerja Tinggi untuk Superkapasitor
  6. Nanospheres Karbon Monodisperse dengan Struktur Berpori Hierarki sebagai Bahan Elektroda untuk Superkapasitor
  7. Mikrosfer Karbon Magnetik sebagai Adsorben yang Dapat Digunakan Kembali untuk Menghilangkan Sulfonamida dari Air
  8. Pendekatan Sederhana untuk Sintesis Titik Kuantum Karbon Berpendar dari Air Limbah Tahu
  9. Heavily Graphitic-Nitrogen Self-doped Karbon Porositas Tinggi untuk Elektrokatalisis Reaksi Pengurangan Oksigen
  10. Na4Mn9O18/Karbon Nanotube Komposit sebagai Bahan Kinerja Elektrokimia Tinggi untuk Baterai Natrium-Ion Berair