Karbon Aktif Berkelanjutan dari Rumput Kusha (Desmostachya bipinnata) Meningkatkan Performa Superkapasitor
Abstrak
Kami mendemonstrasikan pembuatan karbon aktif (AK) yang sangat kapasitif menggunakan limbah organik Rumput Kusha (Desmostachya bipinnata), dengan menggunakan proses kimia diikuti dengan aktivasi melalui KOH. Karbon aktif berlapis tipis yang disintesis telah dikonfirmasi melalui teknik difraksi sinar X bubuk, mikroskop elektron transmisi, dan spektroskopi Raman. Lingkungan kimia dari sampel yang disiapkan telah diakses melalui spektroskopi FTIR dan UV–visibel. Luas permukaan dan porositas dari bahan yang disintesis telah diakses melalui metode Brunauer–Emmett–Teller. Semua pengukuran elektrokimia telah dilakukan melalui voltametri siklus dan metode pengisian/pengosongan galvanometrik (GCD), tetapi utama, kami berfokus pada GCD karena akurasi teknik tersebut. Selain itu, bahan AK yang disintesis menunjukkan kapasitansi spesifik maksimum sebesar 218 F g⁻¹ dalam jendela potensial dari − 0,35 hingga + 0,45 V. Selain itu, AK menunjukkan densitas energi yang sangat baik sekitar 19,3 Wh kg⁻¹ dan densitas daya sekitar 277,92 W kg⁻¹, masing-masing, dalam jendela potensial operasi yang sama. Ini juga telah menunjukkan kemampuan retensi kapasitansi yang sangat baik bahkan setelah siklus ke-5000. Superkapasitor yang dibuat menunjukkan densitas energi dan daya yang baik, masing-masing, dan retensi kapasitansi yang baik pada laju pengisian/pengosongan yang sangat tinggi dengan stabilitas siklus yang sangat baik. Oleh karena itu, karbon aktif dari limbah Rumput Kusha (DP-AK) menunjukkan janji yang baik dan dapat diterapkan dalam aplikasi superkapasitor karena properti elektrokimia yang luar biasa. Kami menganggap bahwa hasil kami menggambarkan pendekatan sederhana dan inovatif untuk sintesis karbon aktif dari limbah Rumput Kusha (DP-AK) sebagai bahan elektroda superkapasitor yang muncul dan memperluas aplikasi praktisnya dalam bidang penyimpanan energi elektrokimia.
Pendahuluan
Dalam beberapa tahun terakhir, banyak perhatian telah diberikan terhadap pengembangan model penyimpanan energi berkelanjutan yang menjanjikan yang mencakup perangkat konversi dan penyimpanan dalam upaya mengejar kebutuhan energi global [1,2,3]. Perangkat penyimpanan energi seperti baterai dan superkapasitor memainkan peran yang sangat signifikan, efisien, dan terjangkau dalam pembangkitan sumber energi terbarukan dan berkelanjutan dan merupakan alternatif yang layak untuk opsi non-terbarukan tradisional. Superkapasitor telah muncul sebagai perangkat penyimpanan energi berkelanjutan yang paling menjanjikan karena siklus hidup yang panjang, densitas daya yang tinggi, dan waktu pengisian/pengosongan ultra-cepat [4,5,6,7,8]. Selain itu, karena area penelitian yang berkembang pesat dari nanomaterial berbasis karbon seperti grafen, nanotubos, titik nano, dan titik kuantum, pengembangan intensif perangkat penyimpanan energi superkapasitor juga telah meningkat [9,10,11]. Studi mengungkapkan banyak karya penelitian telah difokuskan pada sintesis bahan dan kompositnya dengan hibrid lain yang menunjukkan kapasitansi tinggi, jendela potensial yang luas, impedansi yang lebih kecil, dan retensi kapasitansi yang baik [12]. Selain itu, pembuatan elektroda telah menarik perhatian luas dengan pemuatan massa yang tinggi dari bahan aktif dan rasio massa-ke-kolektor arus [13, 14].
Superkapasitor berdasarkan bahan karbon telah banyak dipelajari dan menawarkan jendela potensial yang luas yang mengarah pada densitas energi yang tinggi dalam kehadiran elektrolit organik [15, 16]. Oleh karena itu, superkapasitor berbasis karbon menunjukkan resistensi tinggi dan kapasitansi rendah. Namun, elektrolit organik beracun, mudah terbakar, dan relatif mahal [15]. Nanotubos karbon, grafen, dll., cukup mahal dalam beberapa metode persiapan dan ketersediaan bahan primer dan membatasi aplikasi skala besarnya. Oleh karena itu, penelitian yang menangani beberapa perubahan untuk bahan karbon berbeda telah dilakukan untuk meningkatkan jendela potensial, performa superkapasitansi, dan impedansi yang lebih kecil dengan metode yang ramah lingkungan, hemat biaya, dan mudah diterapkan [17, 18].
Karbon aktif yang memiliki luas permukaan tinggi, asosiasi fungsional yang melimpah, dan porositas yang cukup telah digunakan secara luas untuk adsorpsi, penyimpanan gas, pemisahan gas, pendukung katalis, dekoloran pelarut, pemulihan pelarut, elektroda, dan superkapasitor selama beberapa dekade terakhir. Struktur porositasnya dan properti lain seperti luas permukaan tinggi, volume pori, kehadiran berbagai jenis grup fungsional, dan distribusi ukuran pori memainkan peran krusial dalam aplikasi terkait absorpsi karbon aktif [18]. Bergantung pada ukuran pori, karbon aktif dapat digunakan dalam berbagai bidang aplikasi seperti mikropori digunakan dalam adsorpsi molekul yang lebih kecil, sementara mezopori digunakan secara luas dalam adsorpsi molekul yang lebih besar [19, 20].
Banyak faktor mempengaruhi properti karbon aktif seperti bahan baku, rute sintesis, reagen aktivasi, dan kondisi lingkungan selama proses aktivasi. AK disintesis dengan mengadopsi berbagai rute sintesis dan precurzor yang berupa limbah organik/tersedia secara alami seperti cangkang kelapa [21], daun semambu [22], tepung jagung [23], kertas daur ulang [24], ban bekas [25], dan serat pisang [26]. AK terutama disintesis melalui proses aktivasi fisik dan kimiawi [19]. Biasanya, yang pertama terutama melibatkan karbonisasi dan aktivasi lebih lanjut dalam atmosfer iners atau kehadiran gas seperti CO2 atau agen oksidasi [27], sementara proses aktivasi kimiawi pertama kali melibatkan pengembangan struktur pori dengan menambahkan agen aktivasi seperti ZnCl2, NaOH, H3PO4, dan KOH [12, 28,29,30]. Menurut studi, ZnCl2 bukan agen aktif yang lebih disukai karena kekhawatiran lingkungan dan pemulihan yang tidak kompetent. Oleh karena itu, AK yang diaktifkan melalui ZnCl2 tidak cocok untuk tujuan industri farmasi dan pangan pertanian karena mereka memiliki probabilitas untuk mencemari hasil [20]. Di antara reagen kimia lainnya, KOH telah digunakan secara luas karena menghasilkan AK dengan luas permukaan tinggi dan pori yang terdefinisi dengan baik. Gonzalez et al. melaporkan aktivasi KOH dari batang ceri yang menghasilkan AK mikropori dengan kapasitansi besar [31]. Yushin et al. sintesis AK dari serbuk kayu melalui karbonisasi hidrotermal, diikuti dengan aktivasi dari KOH, dan mempelajari performa superkapasitornya [32]. Ranganathan et al. menggambarkan sintesis AK dari kertas daur ulang menggunakan KOH sebagai agen aktivasi. Ini menunjukkan kapasitansi spesifik 180 F g⁻¹ dalam elektrolit KOH [24]. He et al. menggunakan teknik pemanasan microwave cepat untuk sintesis AK dari coks dan mempelajari rasio massa KOH-coks dan waktu aktivasi [33]. Agen aktivasi memainkan peran vital selama proses seperti agen dehidrasi mencegah perkembangan beberapa produk perantara. Ini juga meningkatkan densitas struktur berukuran pori dan mengurangi waktu aktivasi serta suhu [24, 34, 35].
Dalam karya saat ini, Rumput Kusha (Desmostachya bipinnata) telah digunakan sebagai precurzor karbon yang ramah lingkungan, hemat biaya, dan melimpah untuk sintesis karbon aktif. Untuk sintesis AK, proses kimia yang melibatkan KOH sebagai agen aktivasi telah diadopsi karena keandalan yang lebih baik. Bahan AK yang disintesis telah dikarakterisasi melalui spektroskopi UV–visibel, inframerah transformasi Fourier, dan Raman. Selanjutnya, untuk memvalidasi fitur struktural, bahan yang disintesis telah dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pencemaran (SEM), spektroskopi sinar X dispersif energi (EDAX), TEM, dan XRD. Untuk tujuan aplikasi, teknik elektrokimia dan charge galvanometrik telah diadopsi dengan melakukan modifikasi kecil pada elektroda dengan sistem tiga elektroda. Karena keandalan teknik GC, ini telah digunakan untuk perhitungan lain seperti superkapasitansi, densitas energi, dan densitas arus. Ini mengungkapkan bahwa AK yang disiapkan menunjukkan properti superkapasitansi yang sangat baik karena fitur pori yang terdefinisi dengan baik. Oleh karena itu, studi ini memberikan yang pertama kalinya mengenai pembuatan karbon aktif (AK) yang sangat kapasitif menggunakan limbah organik Rumput Kusha (Desmostachya bipinnata).
Metode
Bahan
Rumput Kusha (Desmostachya bipinnata; DP) dikumpulkan dari taman botani kampus BHU, Varanasi, India, sedangkan hidroksida kalium (KOH), elektroda karbon kaca (GCE), dan bubuk alumina diperoleh dari Sigma-Aldrich. Larutan air yang digunakan selama semua eksperimen disiapkan menggunakan air deionisasi (DI > 18 MΩ cm⁻¹, sistem Millipore Q).
Berbagai teknik analitik telah digunakan untuk karakterisasi sampel yang disintesis. Untuk mengakses fitur struktural dan properti kristal dari karbon aktif yang disintesis, difraksi sinar X bubuk dilakukan pada difraktometer sinar X PANalytical menggunakan radiasi CuKα (λ = 1,540 Å) pada 2θ ~ 10°–80°. Mikrostruktur dan morfologi permukaan bahan yang disintesis dikaji dengan mikroskop elektron transmisi (TEM, TECHNAI G² dioperasikan pada 200 kV) dan mikroskop elektron pencemaran (Dual FIB: FEI Nanolab dioperasikan pada 200 kV). Sampel TEM disiapkan dengan meneteskan suspensi bubuk DP-AK pada grid dilapisi karbon diikuti dengan suspensi ultrasonik dalam air DI. Selanjutnya, beberapa fitur struktural tambahan dari karbon aktif yang disintesis dikonfirmasi oleh spektroskopi Raman. Pengukuran pemancaran Raman dilakukan dengan excitasi laser He–Ne 532-nm menggunakan spektrometer Raman (Renishaw inVia, Inggris). Selain itu, spektrometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) (Bruker ALPHA II) digunakan untuk menyelidiki kehadiran grup fungsional yang terlampir pada sampel yang disintesis. Properti optik dievaluasi oleh spektroskopi penyerapan cahaya UV–visibel yang direkam melalui lampu fluoresen (λ = 365 nm) (PerkinElmer, Lambda 25). Luas permukaan dan distribusi ukuran pori dari sampel karbon aktif yang disiapkan diukur dengan menggunakan analisis penyerapan/desorpsi nitrogen cair dengan metode otomatis Brunauer–Emmett–Teller (BET) (micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, AS).
Sintesis Karbon Aktif
Secara singkat, Rumput Kusha (DP) dipotong dan dicuci beberapa kali dengan air DI hingga surnat berwarna tidak terlihat. DP disimpan dalam oven pada 100 °C selama 5 jam dan kemudian dikarbonisasi selama 2 jam dalam tungku muffle yang dipelihara pada 700 °C. Untuk aktivasi, dicampur dengan KOH yang terbukti (w/w 1:4) dengan bantuan alu–umbal, dan selanjutnya, campuran homogen dikumpulkan. Selanjutnya, disimpan dalam tungku tabung pada 700 °C selama 2 jam dalam suasana argon. Campuran kemudian didinginkan ke suhu ruangan, dan campuran yang diterima dicuci beberapa kali dengan air DI hingga pH mencapai nilai sekitar 7. Akhirnya, kami mendapatkan produk sebagai karbon aktif dan menyimpannya dalam wadah untuk eksperimen dan pengukuran selanjutnya. Proses keseluruhan diilustrasikan dalam Gambar 1.
Ilustrasi jalur strategis untuk sintesis karbon aktif dari Rumput Kusha (Desmostachya bipinnata)
Persiapan Elektroda
Elektroda karbon kaca (GCE) dengan diameter sekitar 0,3 cm dipoles dengan slur alumina (0,05 μm). Dalam langkah selanjutnya, air DI digunakan untuk membersihkan permukaan GCE. Ini dicuci 3–4 kali dengan air DI dan kemudian diultrasonik selama 15–20 menit dalam air DI dan etanol. Untuk depozyensi AK, 1 mg bahan aktif (AK) dilarutkan dalam air DI (1 mL) dan diultrasonik selama 15 menit. Selanjutnya, 10 μL larutan yang disiapkan ditetapkan secara drop-cast di atas GCE, dengan bantuan mikropipet, dan dikeringkan di bawah cahaya lampu tanpa kontak di sekitarnya untuk mencegah kontaminasi.
Pengujian Elektrokimia
Eksperimen elektrokimia telah dilakukan pada workstation multichanel CHI-660C dengan sistem tiga elektroda menggunakan kawat pt, Ag/AgCl, dan elektroda karbon kaca sebagai elektroda lawan, referensi, dan kerja, masing-masing. Elektrolit air alkali 6 M KOH digunakan untuk melakukan pengukuran. Voltametri siklus pada laju pindaian yang berbeda (10–200 mV s⁻¹) dilakukan dengan jendela potensial pemindaian − 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
$$C_{s} = \frac{I_{Avg}}{\nu \times m}$$ (1)
di mana I_Avg = I_max - I_min dan juga m dan ν mewakili massa bahan pemuatan (g) dan laju pindaian (v/s), masing-masing. Selain itu, C_s memiliki satuan F g⁻¹.
Karena teknik charge–discharge galvanostatic (GCD) lebih andal dan memberikan hasil yang lebih akurat, kami telah mengadopsi teknik GCD untuk perhitungan lebih lanjut. Kami menghitung kapasitansi spesifik dengan menggunakan persamaan
$$C_{s} = \frac{I \times \Delta t}{\Delta V \times m}$$ (2)
di mana I, ∆t, ∆V, dan m mewakili arus (A), periode pengosongan (s), jendela tegangan (V), dan massa bahan pemuatan (g), masing-masing.
Selanjutnya, densitas energi (E) dan densitas daya (P) telah disimpulkan melalui persamaan
