Electrodos de espuma de carbono porosos jerárquicos fabricados a partir de una plantilla de elastómero de poliuretano residual para doble eléctrico

May 31, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 11786 (2022) Citar este artículo

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Los residuos plásticos se han convertido en una importante preocupación medioambiental mundial. La utilización de carbono poroso procedente de residuos sólidos para el almacenamiento de energía ha recibido amplia atención en los últimos tiempos. En este documento, informamos la comparación del rendimiento electroquímico de espumas de carbono porosas (CF) producidas a partir de plantillas de elastómero de poliuretano (PU) de desecho a través de dos vías de activación diferentes. Los condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) fabricados con espuma de carbono exhibieron una capacitancia gravimétrica de 74,4 F/g a 0,1 A/g. La alta densidad de empaquetamiento debido a la presencia de esferas de carbono en la estructura jerárquica ofreció una excelente capacitancia volumétrica de 134,7 F/cm3 a 0,1 A/g. Además, los EDLC basados ​​en CF exhibieron una eficiencia Coulombic cercana al 100 % y mostraron un rendimiento cíclico estable durante 5000 ciclos de carga-descarga con una buena retención de capacitancia del 97,7 % a 3 A/g. La baja resistencia en serie equivalente (1,05 Ω) y la resistencia de transferencia de carga (0,23 Ω) debido a la amplia presencia de grupos funcionales hidroxilo contribuyeron a alcanzar una alta potencia (48,89 kW/kg). Con base en las propiedades preferidas, como una alta superficie específica, una estructura de poros jerárquica, funcionalidades superficiales, bajas impurezas metálicas, alta conductividad y un comportamiento capacitivo deseable, los CF preparados a partir de elastómeros de PU de desecho han demostrado potencial para ser adoptados como electrodos en EDLC.

Los supercondensadores (SC), también conocidos como ultracondensadores, son dispositivos avanzados de almacenamiento de energía que se pueden cargar y descargar en segundos y tienen potencial en aplicaciones que demandan energía, como vehículos eléctricos pesados, dispositivos electromecánicos, electricidad no intermitente de fuentes renovables, etc. .1,2. Según los mecanismos de almacenamiento de carga y las características del dispositivo, los supercondensadores se pueden clasificar en tres categorías: (i) condensadores eléctricos de doble capa (EDLC), (ii) pseudocondensadores y (iii) condensadores asimétricos3,4,5,6. Aunque los pseudocondensadores tienen una capacitancia específica alta y almacenan energía principalmente a través de la transferencia de carga faradaica entre el electrodo y el electrolito7, tienen limitaciones en aplicaciones prácticas debido a la mala estabilidad del ciclo y el alto costo. Los EDLC basados ​​en carbono continúan dominando el mercado comercial debido a sus rápidos pulsos de energía, su largo ciclo de vida y su alta eficiencia coulómbica8. Aquí, nos centramos en EDLC simétricos que almacenan y liberan energía a través de la adsorción-desorción física de iones en la superficie, formando una doble capa eléctrica en la interfaz electrodo-electrolito9. Los carbones porosos se destacan como materiales de electrodos prometedores para EDLC debido a su alta superficie específica, buena conductividad eléctrica, estabilidad fisicoquímica, facilidad de preparación y bajo costo10. Los materiales de electrodos a base de carbono no solo son excelentes candidatos para EDLC sino que también desempeñan un papel importante en el soporte del material activo de los pseudocondensadores. La mayoría de los supercondensadores comerciales utilizan carbones activados a base de biomasa derivados de cáscaras de coco, madera, bambú y aserrín como electrodos11; estos adolecen de una capacitancia específica baja y una capacidad de velocidad deficiente.

Además de la elevada superficie específica, el tamaño y la geometría de los poros influyen en la doble capa eléctrica. La capacitancia específica de los EDLC está determinada principalmente por el área de superficie específica efectiva y la distribución del tamaño de los poros (micro, meso y macroporos) de los electrodos de carbono porosos. Gracias al aumento de la superficie, los microporos mejoran el rendimiento electroquímico; sin embargo, los microporos pueden limitar la difusión y el transporte de iones: los materiales de carbono que solo contienen microporos a menudo no cumplen con los requisitos de los supercondensadores de alto rendimiento12. Sin embargo, la estructura jerárquica en forma de meso y macroporos interconectados con microporos acorta la ruta de difusión y puede facilitar el transporte de iones13. Por lo tanto, los carbonos amorfos con una estructura de poros jerárquica que comprende redes de poros y canales bien desarrolladas son muy adecuados para los EDLC.

La conversión de materiales de desecho en electrodos de carbono porosos para EDLC es un área importante de investigación. Recientemente, se han utilizado diversos desechos agrícolas y de biomasa para producir carbonos porosos jerárquicos (HPC), por ejemplo, residuos de posos de café14, cáscaras de frijol espada15, heces de soja16, cáscara de maíz17, mazorca y hojas de maíz 18, paja de trigo18, pastos de cola de zorra19, cáscaras de mangostán20, mango. piedra21, Lentinus edodes 22, etc. Además, Wu. et al.23 convirtieron soluciones de azúcar residual en HPC para EDLC e investigaron su rendimiento electroquímico en electrolitos acuosos e iónicos. Ma et al.24 utilizaron una estrategia de síntesis verde en un solo recipiente para producir HPC dopado con nitrógeno utilizando una plantilla de sal reciclable y la aplicaron como electrodos en un supercondensador simétrico. Además de los residuos de biomasa, se utilizaron residuos peligrosos de lodos oleosos25, residuos sólidos de cuero26 y residuos plásticos no biodegradables27 como precursores para producir HPC para supercondensadores. Los residuos plásticos se han convertido en una importante preocupación medioambiental mundial. Anualmente se producen aproximadamente 380 millones de toneladas de residuos plásticos, de las cuales al menos 10 millones de toneladas terminan en el océano28. Para reciclarlos de forma eficaz, muchos investigadores se han centrado en la transformación de residuos plásticos en valiosos materiales de carbono y sus aplicaciones como electrodos para dispositivos de almacenamiento de energía. Se produjeron nanohojas de carbono porosas jerárquicas a partir de desechos plásticos mixtos del "mundo real" utilizando plantillas catalíticas de montmorillonita modificadas orgánicamente y se aplicaron como electrodos para supercondensadores29. Además, se informaron electrodos basados ​​en HPC derivados de los desechos plásticos más comunes, como tereftalato de polietileno (PET)30,31, polietileno32,33, polipropileno34, poliestireno35,36, poliacrilonitrilo37, poliuretano (PU)38 y espumas de melamina12.

Los poliuretanos (PU) son omnipresentes en muchas aplicaciones. En 2019, aproximadamente el 8 % del PU producido en Europa, Oriente Medio y África eran elastómeros39. Los elastómeros de PU son materiales de alto rendimiento con una amplia gama de aplicaciones como películas, fibras elásticas, tubos médicos y suelas de zapatos40. También encuentran aplicaciones en otros sectores industriales como el de la construcción, el aeroespacial o el de la automoción debido a su gran deformación elástica y su excelente capacidad de amortiguación de ruidos y vibraciones. Su uso extensivo da como resultado la generación de cantidades significativas de desechos de elastómero de PU que no son fácilmente degradables.

En este trabajo, se evaluó el rendimiento electroquímico de los CF producidos a partir de elastómeros de PU de desecho utilizando una técnica previamente informada41 en un electrolito acuoso de KOH para explorar su posible utilización en EDLC. La aplicabilidad de este tipo de polímero residual como material de almacenamiento de energía se investigó de acuerdo con múltiples Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, por ejemplo, los Objetivos 7 (“Energía asequible y limpia”) y 12 (“Producción y consumo responsables”)42 . Como tal, la investigación presentada apunta simultáneamente a los objetivos de la energía y la economía circular.

Elastómeros de PU de desecho (C-59,5%, H-7,91%, N-6,26%, S- <1,0%, O-25,3%, datos del analizador CHNS-O) recopilados de Elastico Ltd., conc. Se utilizaron ácido sulfúrico – 96% en peso (VWR International Ltd.), sacarosa (Magyar Cukor Zrt.), cilindros de nitrógeno y dióxido de carbono (pureza > 99,995%) (Messer Group GmbH). El negro de humo (CB), el difluoruro de polivinilideno (PVDF), la N-metil-2-pirrolidona (NMP) y el hidróxido de potasio (KOH) se adquirieron de Alfa Aesar. Todos los productos químicos se utilizaron tal como se recibieron sin ninguna purificación adicional. Las cajas de pilas de botón CR2032 se adquirieron de PI-KEM.

Los CF se prepararon utilizando la plantilla de elastómero de PU residual siguiendo dos enfoques de activación diferentes, los procesos de un paso y de dos pasos, como se informó en nuestro estudio anterior 41. A continuación se proporciona una breve descripción:

Pretratamiento de espuma: el elastómero de PU se cortó en cubos y se sumergió en una solución de sacarosa acidificada (2,5 g/ml) durante 12 h, seguido de secado en habitación durante la noche y se curó en un horno de aire caliente a 110 °C durante 10 h.

Proceso de un solo paso (denominado 'EFAC1'): las espumas tratadas se activaron directamente en CO2 (caudal: 200 ml/min) a 1000 °C (velocidad de calentamiento: 10 °C/min) durante 100 min.

Proceso de dos pasos (denominado 'EFAC2'): las espumas tratadas se pirolizaron primero en N2 a 900 °C (velocidad de calentamiento: 10 °C/min) durante 60 minutos, seguido de la activación en CO2 (caudal: 200 ml/min) a 1000 °C (velocidad de calentamiento – 10 °C/min) durante 100 min.

Se fabricaron celdas simétricas de dos electrodos para analizar las capacidades de almacenamiento de carga de los electrodos basados ​​en EFAC1 y EFAC2 en un electrolito acuoso de KOH 6 M. Las tintas para electrodos se prepararon mezclando CF (70%) con PVDF (20%) y negro de humo (10%) con un peso total de 0,4 g en 4 ml de NMP. El PVDF actúa como aglutinante, mientras que el negro de carbón es un agente mejorador de la conductividad. La tinta homogénea se vertió sobre una lámina de Ni (colector de corriente) utilizando una configuración de racleta y se secó en un horno. El espesor medio de las películas fue de 40 µm. Se obtuvieron electrodos circulares de 12 mm de diámetro utilizando un punzón de acero. La masa efectiva de material activo en cada electrodo fue ~ 2,4 mg. Se eligieron dos electrodos con masas de material activo muy similares y se prensaron a 6,9 MPa. Antes del montaje, se sumergieron separadores de filtro de microfibra de vidrio (Whatman) de 14 mm en un electrolito de KOH 6 M. Se utilizaron cajas de pilas de botón CR2032 para la fabricación de supercondensadores. Las celdas ensambladas se presionaron a 5,2 MPa usando una prensa y las celdas se dejaron durante 24 h para permitir que los electrodos empaparan suficientemente el electrolito antes de la medición. En la Fig. 1 se muestra la representación esquemática del electrodo CF a base de elastómero de poliuretano de desecho ensamblado en una celda simétrica de dos electrodos.

Representación esquemática de un electrodo CF basado en elastómero de poliuretano residual para una celda simétrica de dos electrodos.

La morfología de la superficie de los CF porosos se investigó mediante un microscopio electrónico de transmisión (Jeol JEM-2010F). Las muestras se prepararon dispersando los polvos de CF en isopropanol, dejando caer la suspensión sobre la película C amorfa soportada en Cu y secando la suspensión en condiciones ambientales. La distribución del tamaño de los poros de las CF se determinó utilizando el software ImageJ43 a partir de micrografías TEM. Se llevaron a cabo experimentos de adsorción-desorción de N2 y CO2 a 77 K y 273 K, respectivamente, para determinar el área de superficie específica (SSA) (ASAP 2020, Micromeritics Instrument Corp. EE. UU.). Antes de cada medición, las muestras se desgasificaron manteniéndolas a 90 °C durante 24 h. El volumen de microporos se determinó mediante la aplicación del método t-plot y la ecuación de Dubinin-Astakhov a la isoterma de adsorción de N2 a 77 K y CO2 a 273 K, respectivamente. Las propiedades estructurales de los CF se determinaron mediante el método de difracción de rayos X en polvo (DRX) utilizando un difractómetro Bruker D8 Advance con una fuente de radiación Cu K-α (40 kV y 40 mA) en geometría de haz paralelo (espejo de Göbel) con un detector sensible a la posición (Vantec1, 1° de apertura). Las mediciones se tomaron en el rango de 2 a 100° 2θ con una velocidad del goniómetro de 0,007° 2θ/14 s. Las muestras se cargaron por la parte superior en soportes de muestras de Si de fondo cero. Las mediciones de espectroscopía Raman se llevaron a cabo utilizando un espectrómetro Raman de alta resolución (Nicolet Almega XR, Thermo Electron Corporation, Waltham, MA, EE. UU.) equipado con un láser Nd:YAG de 532 nm (50 mW). Los análisis de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se llevaron a cabo mediante el espectrómetro PHI-TFA XPS (Physical Electronics Inc) equipado con una fuente monocromática de Al. El área analizada fue de 0,4 mm de diámetro y la profundidad analizada fue de aproximadamente 3 a 5 nm. Los espectros de resolución de alta energía se adquirieron con un analizador de energía que operaba a una resolución de aproximadamente 0,6 eV y pasaba una energía de 29 eV. La precisión de las energías de enlace fue de aproximadamente ± 0,3 eV. Para estudiar la química de superficies, se midieron espectros XPS de alta resolución energética C 1 s, O 1 s y N 1 s y se descompusieron en diferentes picos relacionados con diferentes enlaces de elementos en la superficie. La prueba de humectabilidad se llevó a cabo mediante el método de la gota sésil (microscopio de fusión SP 12, Sunplant Ltd., Hungría), mediante la adquisición de una silueta. Este método mide el ángulo de la gota sésil que descansa sobre la superficie plana de la CF (pulida con hojas de tela de esmeril) utilizando un goniómetro: un microscopio equipado con una cámara de vídeo y una lente de aumento adecuada, conectado con una computadora que ejecuta un software de análisis de imágenes ( KSV Instrument Ltd., Finlandia) se utilizó para determinar el ángulo tangente. La determinación cuantitativa de las impurezas metálicas de los CF se realizó utilizando un espectrómetro de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) Varian 720 ES utilizando el estándar IV de elementos múltiples Merck Certipur ICP. Para el análisis ICP-OES, se utilizó un método de pretratamiento de incineración seca junto con extracción ácida: se colocaron muestras de 2 g en un crisol y se incineraron en un horno de mufla a 900 °C durante 3 h. Después de enfriar, los crisoles se lavaron con 6 ml de ácido nítrico diluido al 2,0 % en peso y se calentaron en una placa caliente durante 20 minutos a 110 °C. Las soluciones extraídas se diluyeron hasta 25 ml con agua ultrapura y luego se analizaron mediante ICP-OES.

El rendimiento electroquímico se evaluó utilizando sistemas simétricos de dos electrodos y electrolito KOH 6 M mediante voltamperometría cíclica (CV), carga-descarga galvanostática (GCD) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) utilizando una estación de trabajo con potenciostato biológico. La CV se llevó a cabo a diferentes velocidades de exploración (5 a 200 mV/s) en la ventana de potencial de 0 a 0,8 V. La velocidad de exploración (mV/s) se mantuvo constante para cada medición. Las mediciones de carga-descarga se realizaron a diferentes densidades de corriente de 0,1 a 10 A/g dentro de los límites de potencial de 0 a 1 V.

La capacitancia gravimétrica específica (Csp_g, F/g) y la capacitancia volumétrica específica (Csp_v, F/cm3) de los electrodos basados ​​en CF se calcularon a partir de cada curva de carga-descarga utilizando las ecuaciones. (1) y (2) respectivamente:

donde I es la corriente de descarga constante (A), Δt es el tiempo (s) de descarga, m es la masa de material activo en un solo electrodo (kg) y ΔV es la ventana de potencial del voltaje de descarga (V). La densidad de FQ ρ se informó en nuestro estudio anterior 41 (EFAC1 – 1,81 g/cm3 y EFAC2 – 1,78 g/cm3).

La eficiencia de Coulombic (η) se define como la relación entre el tiempo de descarga y el tiempo de carga cuando las densidades de corriente de carga-descarga son iguales a 44 y el parámetro se calculó utilizando la ecuación. (3).

donde tD y tC son los tiempos (s) de descarga y carga. La eficiencia de Coulombic se utiliza generalmente para evaluar la estabilidad del ciclo de materiales y dispositivos de electrodos comparando el primer y el último ciclo.

La densidad de energía (E, Wh/kg) del dispositivo se calculó utilizando las Ecs. (4) y (5).

donde C es la capacitancia del dispositivo (F). m es la masa total del material activo en ambos electrodos (kg).

La densidad de potencia (P, W/kg) se define como,

La ciclabilidad y la retención de capacidad del supercondensador se analizaron realizando mediciones de carga-descarga durante 5000 ciclos a 3 A/g.

El análisis de impedancia electroquímica se realizó en el rango de frecuencia de 100 kHz a 0,1 Hz con una señal de CA de 10 mV de amplitud. La potencia máxima (Pmax, W/kg) del dispositivo se calculó como

donde ESR (Ω) es la resistencia en serie de equivalencia obtenida del espectro de impedancia y m es la masa total del material activo en ambos electrodos (kg).

Para una mejor comprensión de la correlación entre estructura y función, se estudiaron ampliamente las propiedades fisicoquímicas de las espumas de carbono y los resultados se discuten aquí:

Las micrografías TEM y de alta resolución de los CF porosos se muestran en la Fig. 2. EFAC1 tiene una estructura fibrosa y porosa interconectada que consta de numerosos mesoporos y macroporos visibles, mientras que EFAC2 es menos poroso y contiene partículas de carbono más densas. Las imágenes muy ampliadas de ambas muestras (Fig. 2c, d) muestran la naturaleza amorfa de las láminas de carbono con microporos y menos carbono grafítico en los bordes. La distribución del tamaño de poro de EFAC1 en la Fig. 2e revela la presencia de micromesoporos bien distribuidos que EFAC2. Además, estos materiales carbonosos están compuestos de numerosas nanopartículas de carbono de diferentes tamaños, láminas de formas irregulares y partículas delgadas de formas irregulares. La Figura 2a ha mostrado la mayor porosidad de EFAC1; sin embargo, las partículas esféricas de carbono parecen densas y no porosas. Ambos materiales poseen una estructura amorfa o turboestrática y sus propiedades estructurales analizadas por XRD y Raman se proporcionan en las figuras complementarias S1a yb en línea, respectivamente.

( a, b ) Imágenes de microscopio electrónico de transmisión (TEM), ( c, d ) Imágenes de alta resolución (HRTEM) y (e) distribución del tamaño de poro de los CF porosos.

El área de superficie específica y el volumen de microporos de los CF calculados a partir del volumen adsorbido de N2 a 77 K y CO2 a 273 K se dan en la Tabla 1. Los volúmenes de microporos (Vm (N2) y Vm (CO2)) se determinaron a partir de la aplicación del Método de gráfico t y ecuación de Dubinin-Astakhov para la isoterma de adsorción de N2 a 77 K y CO2 a 273 K, respectivamente. Vm (N2) representa el volumen total de microporos, incluidos los supermicroporos (0,7 – 2 nm), mientras que Vm (CO2) se obtiene del rango de presión relativa muy bajo (P/P0 = 0 – 0,03) cubierto a 273 K (la isoterma respectiva). se muestra en la Fig. S2 complementaria en línea), corresponde al volumen de microporos estrechos (hasta 0,7 nm). El volumen de poros restante de V0,97 – Vm (N2) representa el volumen de mesoporos y macroporos.

A partir de los datos de sorción de N2 y CO2 se realizaron las siguientes interpretaciones:

Muestra EFAC1 La SSA y Vm se calcularon a partir de N2 (77 K) > CO2 (273 K), ya que la activación directa en CO2 crea microporos y mesoporos más anchos. El N2 también puede llenar los microporos más anchos, mientras que el CO2 llena solo los microporos estrechos o es absorbido por un mecanismo de cobertura de superficie45, lo que muestra la diferencia en los valores medidos con los dos adsorbentes.

Muestra EFAC2 El SSA calculado a partir del volumen adsorbido de N2 a 77 K y CO2 a 273 K es consistente para EFAC2, pero la Vm de EFAC2 medida por N2 fue menor que la de CO2 debido a la difusión restringida de N2 en microporos estrechos a 77 K.

Por lo tanto, ambos adsorbentes proporcionan un mejor conocimiento de todo el rango de porosidad de los CF. EFAC1 tiene microporos y mesoporos más anchos y heterogéneos con un menor volumen de porosidad estrecha, mientras que EFAC2 tiene un mayor volumen de microporosidad estrecha y un menor volumen de microporos más anchos con meso-macroporos muy limitados. La porosidad y el área de superficie de EFAC1 fueron mayores que los de EFAC2 y la razón detrás de tal comportamiento se informó en nuestro estudio anterior41. Estos dos parámetros están directamente relacionados con la capacitancia, ya que la carga almacenada en la superficie del electrodo depende del contacto entre el electrodo y el electrolito46.

Por otro lado, las propiedades de la superficie también influyen en el rendimiento electroquímico de los electrodos de carbono. Por lo tanto, XPS investigó la química de la superficie de los CF. La composición elemental de la superficie y los espectros de estudio se muestran en las figuras 3a yb, respectivamente.

(a) composición de la superficie XPS, (b) espectros de estudio y (c) ángulo de contacto de los CF.

La concentración relativa de grupos funcionales se proporciona en la Tabla 2. En la Fig. S3 complementaria en línea se proporciona una discusión detallada de los resultados de XPS y los picos desconvolucionados (C 1 s, O 1 s y N 1 s). Según los picos a 286,5 eV y 532,7 eV, parece que la concentración relativa del grupo funcional hidroxilo de EFAC2 es mayor que la de EFAC1, lo que mejoró la humectabilidad de EFAC2 (θ = 0°) 41 como se muestra en la medición del ángulo de contacto en la Fig. 3c.

La pureza del carbono es un factor clave para los EDLC con un ciclo de vida prolongado y se recomienda minimizar el contenido de metales pesados ​​en todos los pasos de fabricación de los electrodos 47. Por lo tanto, las impurezas de iones metálicos de los CF se analizaron utilizando la técnica ICP-OES y los resultados se dan en la Fig. S4 complementaria en línea. Las impurezas metálicas de los CF estaban entre 15 y 110 ppm, que es entre 25 y 40 veces más pequeñas que las impurezas metálicas (Ca, Si, Mg, Fe, Al, Mn, Ba, Sr) del AC 48 comercial derivado de biomasa.

Para investigar las propiedades de almacenamiento de carga de los CF porosos preparados, se fabricaron celdas simétricas de dos electrodos. Las celdas de dos electrodos ensambladas se analizaron mediante voltamperometría cíclica, ciclos de carga-descarga galvanostática y espectroscopia de impedancia electroquímica.

Las Figuras 4a yb muestran los voltamogramas cíclicos de EFAC1 y EFAC2 a diferentes velocidades de escaneo (5 a 200 mV/s) en la ventana de potencial de 0 a 0,8 V. Los voltamogramas cíclicos obtenidos son simétricos y casi rectangulares en todas las velocidades de escaneo. Estas formas rectangulares de las curvas CV indican un comportamiento capacitivo ideal, revelando una buena transferencia de carga y mostrando el eficaz mecanismo de almacenamiento de carga de doble capa. En todos los casos, la corriente capacitiva aumenta con las velocidades de exploración. En comparación con EFAC2, EFAC1 tiene un área más grande encerrada por CV y, por lo tanto, la capacitancia más alta en todas las velocidades de escaneo. Aunque se puede observar cierto comportamiento faradaico a través de los amplios picos redox debido a algunos procesos redox de los heteroátomos O y N presentes en la estructura de carbono, la contribución principal a la capacitancia proviene del comportamiento EDLC no faradaico debido al área de superficie mejorada y electrostática. interacción de grupos funcionales que contienen oxígeno con el electrolito acuoso. Como ambos materiales tienen un mayor porcentaje del grupo –OH en comparación con otros grupos funcionales, el comportamiento pseudocapacitivo podría deberse a la reacción > C–OH ↔ > C = O + H+ + e- en las interfaces de los electrodos 49.

(a,b) Voltamogramas cíclicos a diferentes velocidades de escaneo, y (c,d) perfiles de carga-descarga a diferentes densidades de corriente de las celdas simétricas de dos electrodos, (e) comparación de los dos materiales en curvas CV a una alta velocidad de escaneo de 200 mV/s, y (f) perfil de carga-descarga a 10 A/g que muestra una caída de IR.

Las figuras 4c yd muestran las curvas de carga-descarga galvanostática de EFAC1 y EFAC2, respectivamente. Las curvas GCD exhiben buena simetría y pendientes de descarga casi lineales que confirman una buena reversibilidad electroquímica y eficiencia coulómbica. Ambos materiales de electrodos exhiben una buena estabilidad a diferentes densidades de corriente, como lo muestran las curvas de carga-descarga casi triangulares en todas las densidades de corriente. Por lo tanto, las curvas GCD muestran la buena capacidad de velocidad del supercondensador a diferentes densidades de corriente, lo que indica un buen comportamiento de almacenamiento de carga.

El rendimiento de los dos materiales se compara mediante las curvas CV (a una velocidad de escaneo de 200 mV/s) y GCD (a una densidad de corriente de 10 A/g), como se muestra en las figuras 4e y f. Incluso a una alta velocidad de escaneo de 200 mV/s y una densidad de corriente de hasta 10 A/g, ambos materiales muestran curvas CV de forma casi rectangular y curvas GCD de forma casi triangular. Este comportamiento del condensador de doble capa sugiere una capacidad de alta velocidad y una baja resistencia interna. Sin embargo, hay una pequeña caída de IR (Fig. 4f) durante el cambio de polaridad, que es menor para EFAC2, lo que indica una mayor tasa de difusión de los iones electrolitos, ya que contiene más grupo –OH que EFAC1. Debido a la alta electronegatividad del átomo de oxígeno en el grupo –OH, el enlace entre el oxígeno y el hidrógeno es altamente polar, lo que actúa como aceptor y donante de enlaces H. Por lo tanto, atrae fuertemente los iones de electrolitos solvatados, mejorando la humectabilidad del carbono en el electrolito acuoso y, por tanto, un transporte de iones más rápido en EFAC2.

Las capacitancias específicas (Csp_g y Csp_v) de los electrodos basados ​​en CF se calculan a partir de perfiles de carga-descarga galvanostática y los valores calculados se muestran en las figuras 5a y b, que muestran tendencias similares del cambio de capacitancia con la densidad de corriente. Las capacitancias específicas medidas se correlacionan con las áreas de superficie específicas de los CF. En consecuencia, el material con el Stot más alto muestra el Csp_g más alto de 74,4 F/g, mientras que el material con el Stot más bajo muestra el Csp_g más bajo de 63,0 F/g con una densidad de corriente de 0,1 A/g. Además, los electrodos CF tienen una excelente capacitancia volumétrica de 134,7 F/cm3 (EFAC1) y 112,1 F/cm3 (EFAC2) a una densidad de corriente de 0,1 A/g y conservan las capacitancias volumétricas de 64,8 F/cm3 y 53,7 F/cm3. , respectivamente, incluso con una alta densidad de corriente de 10 A/g. El carbono poroso con grandes superficies específicas se emplea ampliamente en los EDLC para mejorar la capacidad de almacenamiento de energía gravimétrica; sin embargo, los electrodos a base de carbono de alta área superficial sufren de una capacitancia volumétrica deficiente debido a la baja densidad de empaquetamiento y la gran fracción de huecos de los materiales porosos 50,51. Los electrodos fabricados a partir de CF preparados contienen partículas esféricas de carbono densas, lo que tiene la ventaja de una alta densidad de empaquetamiento en comparación con otras formas de carbono amorfo 41. Los CF que contienen esferas de carbono proporcionan una estructura compacta al tiempo que conservan una alta porosidad que da como resultado resultados gravimétricos y capacitancias volumétricas.

(a) capacitancia gravimétrica (Csp_g), y (b) capacitancia volumétrica (Csp_v) de EFAC1 y EFAC2 registrada a 0,1–1,0 A/g, y (c) correlación de la capacitancia específica con el Stot y el volumen de poros de los electrodos CF porosos.

La alta capacitancia específica y una caída de IR muy pequeña observada al comienzo de las curvas de descarga indican que ambos electrodos basados ​​en CF proporcionan una excelente ruta de difusión para un movimiento más fácil de los iones entre los electrodos y el electrolito durante el proceso de carga-descarga y una alta conductividad eléctrica que muestra Buen rendimiento. Sin embargo, EFAC1 muestra mejores capacitancias específicas que EFAC2, como se puede ver en el área más grande encerrada por las curvas CV, así como en un tiempo de descarga más largo en GCD, ya que tiene un Stot más alto debido a la estructura porosa jerárquica con microporos más anchos, meso y macroporos. Como el EFAC2 tiene un Stot más bajo debido a los microporos estrechos y la estructura menos jerárquica, exhibió una capacitancia específica relativamente más baja.

La correlación entre la capacitancia específica, Stot y el volumen de poros de los electrodos CF porosos se muestra en la Fig. 5c. Incluso si el Stot de ambos materiales tiene una gran variación, la diferencia en sus capacitancias es mínima. Las dos vías diferentes de activación dieron como resultado la diferencia en propiedades como el área de superficie específica, la estructura de los poros y las funcionalidades de la superficie. La estructura de poros jerárquica de EFAC1 ayudó a lograr una mayor capacitancia debido a su Stot más grande; sin embargo, la mayor caída de IR mostró que la velocidad de difusión es más lenta. En EFAC2, aunque posee un Stot más bajo y microporos estrechos, el grupo funcional -OH superior en la estructura de carbono jugó un papel crucial para lograr una buena capacitancia y una menor resistencia óhmica predominantemente a través del mecanismo de adsorción-desorción reversible debido a sus propiedades superiores de afinidad de interfaz 52.

El comportamiento electroquímico de los dos materiales se investigó más a fondo con el EIS en el rango de frecuencia de 100 kHz a 0,1 Hz. La difusión suficiente de iones se confirma mediante el gráfico de Nyquist (Fig. 6a). Los gráficos de Nyquist muestran un semicírculo en la región de alta frecuencia y una forma lineal en la región de baja frecuencia. Los recuadros en la Fig. 6a muestran la región de alta frecuencia ampliada para mayor visibilidad. La región de alta frecuencia representa la resistencia de transferencia de carga faradaica en la superficie del electrodo poroso y una mayor linealidad en la región de baja frecuencia indica que la cinética del electrodo controlada por difusión y esta resistencia se pueden modelar como impedancia de Warburg53. El diámetro de la región del semicírculo del gráfico EFAC2 es menor que el del EFAC1, lo que indica una menor resistencia a la transferencia de carga. Los valores de resistencia de transferencia de carga obtenidos de los gráficos de impedancia son 0,32 Ω y 0,23 Ω para EFAC1 y EFAC2, respectivamente. Mientras tanto, la capacidad de difusión rápida de iones se puede juzgar por la proyección de la línea tipográfica de Warburg sobre el eje real. En comparación, el gráfico EFAC2 tiene un ángulo de Warburg más grande (> 45 °) que indica una rápida difusión de iones electrolitos hacia los electrodos. Cuanto más vertical es la línea recta en la región de baja frecuencia, más intensamente se comporta el supercondensador como un condensador ideal. La ESR se puede determinar a partir de las compensaciones en el eje x en la región de alta frecuencia. La ESR obtenida de los gráficos de impedancia es 1,32 Ω y 1,05 Ω para EFAC1 y EFAC2, respectivamente. La presencia de más grupos funcionales hidroxilo mejoró relativamente la humectabilidad de EFAC2 en el electrolito acuoso, facilitando la difusión más fácil de iones en los electrodos de carbono, logrando así una menor resistencia a la transferencia de carga. La estructura porosa jerárquica de EFAC1 no necesariamente mejora el transporte iónico en los CF y se observó un comportamiento similar de alta capacitancia y alta ESR y se informó el mecanismo de difusión de iones de electrolitos en el HPC 54. Por lo tanto, aparte de la estructura porosa jerárquica, la El tipo y la concentración de los grupos funcionales de la superficie juegan un papel importante en la determinación de la velocidad de difusión de los iones electrolitos en los electrodos de carbono. Este proceso es crucial para determinar la densidad de potencia de un supercondensador. Utilizando el valor ESR, se calculó que la potencia máxima del dispositivo era 39,29 kW/kg (EFAC1) y 48,89 kW/kg (EFAC2), respectivamente.

(a) Gráficos de Nyquist de supercondensadores basados ​​en electrodos CF (la figura insertada muestra que el semicírculo en el rango de alta frecuencia indica la resistencia de transferencia de carga), (b) Gráfico de Bode del ángulo de fase con la frecuencia, (c) Real dependiente de la frecuencia gráfico de capacitancia (frecuencia C' Vs), y (d) gráfico de capacitancia imaginaria dependiente de la frecuencia (frecuencia C" Vs).

La Figura 6b muestra el gráfico de fase de Bode (ángulo de fase versus frecuencia) de EFAC1 y EFAC2. A altas frecuencias, el ángulo de fase es casi cero. Por debajo de 100 Hz, el ángulo de fase aumenta rápidamente hacia un valor más negativo al disminuir la frecuencia. En la región de baja frecuencia, se observa un cambio de fase de −76,77° y −79,26° para EFAC1 y EFAC2, respectivamente, que está cerca de −90°, exhibiendo un comportamiento capacitivo casi ideal55. La frecuencia de respuesta del capacitor corresponde al ángulo de fase de −45°, en el cual el SC se transforma de un comportamiento puramente resistivo a un comportamiento puramente capacitivo56. EFAC2 alcanzó - 45 ° a una frecuencia relativamente más alta que EFAC1, revelando así la difusión de iones más rápida en EFAC2. Las gráficas de los componentes C' y C" dependientes de la frecuencia de la capacitancia de ambos materiales se muestran en las figuras 6c y d. De la parte real de la gráfica de capacitancia (C') Vs frecuencia, observamos que a altas frecuencias la capacitancia El comportamiento desaparece ya que los iones del electrolito sólo pueden tener acceso a la superficie de los electrodos de carbono. Sin embargo, a bajas frecuencias, la polarización es más lenta, lo que da como resultado la capacitancia máxima, ya que los iones pueden alcanzar toda la superficie de los electrodos. En la región de transición, el la capacitancia está limitada por la difusión de iones dentro de la partícula de carbono 54. Como se discutió anteriormente, el EFAC2 exhibe la transición a la frecuencia más alta, por lo tanto, la tasa de difusión más rápida. El pico en el gráfico de la parte imaginaria de la capacitancia dependiente de la frecuencia (C" ) muestra una capacitancia máxima a una frecuencia f0 que corresponde al tiempo de relajación τ0 (= 1/f0). El tiempo de relajación es una medida de qué tan rápido se puede cargar/descargar el dispositivo e implica el tiempo mínimo necesario para descargar toda la energía del dispositivo con una eficiencia superior al 50% 57. Por lo tanto, cuanto más corto sea el tiempo, menos limitada será la carga. transporte. El tiempo de relajación de EFAC1 y EFAC2 es 479 ms y 295 ms, respectivamente. El tiempo de relajación más corto de EFAC2 indica una reversibilidad y eficiencia de carga/descarga más rápida.

Las densidades de energía de los supercondensadores se calculan utilizando la capacitancia específica obtenida de los perfiles de carga-descarga y los resultados se muestran en la Fig. 7a. Las densidades de energía de los supercondensadores son 2,58 Wh/kg y 2,19 Wh/kg para EFAC1 y EFAC2, respectivamente, con una densidad de corriente de 0,1 A/g. El gráfico de Ragone para el EDLC basado en CF se muestra en la Fig. 7b.

(a) Densidades de energía calculadas a diferentes densidades de corriente, (b) Gráfico de ragone para EFAC1 y EFAC2, (c) Perfiles de carga-descarga de EFAC1 y EFAC2 en el ciclo 1 y 5000 a una densidad de corriente de 3 A/g, y (d ) El ciclo de vida del supercondensador medido a una densidad de corriente de 3 A/g.

La estabilidad cíclica de las células basadas en CF se explora en una solución acuosa de KOH 6 M a 3 A/g. Las capacitancias específicas de EFAC1 y EFAC2 a 3 A/g se calculan como 45,6 F/g y 38,2 F/g, respectivamente y han disminuido ligeramente a 44,6 F/g y 37,1 F/g, respectivamente, incluso después de 5000 ciclos. El perfil de carga-descarga permanece simétrico después de múltiples ciclos (Fig. 7c), lo que indica una retención de capacitancia relativamente alta del 97,7% (EFAC1) y 97,0% (EFAC2), como se muestra en la Fig. 7d. La eficiencia de Coulombic (η) de las celdas es cercana al 100% para los 5000 ciclos de carga-descarga a 3 A/g. La excepcional capacidad de velocidad se debe potencialmente a la estructura porosa y también a la presencia de grupos funcionales de oxígeno que facilitan la difusión de iones y la alta conductividad eléctrica que permite una rápida transferencia de carga en las interfaces y dentro de los poros de los electrodos.

La Tabla 3 presenta una comparación bibliográfica del trabajo actual con el rendimiento capacitivo de electrodos de carbono porosos producidos a partir de diversos desechos de plástico y biomasa. Las capacitancias específicas y las retenciones de capacitancia de los electrodos (probados en una configuración de dos electrodos) fabricados a partir de elastómero de poliuretano de desecho son comparables a los electrodos producidos a partir de otros desechos de plástico y biomasa ya reportados.

Los electrodos de supercondensador fabricados a partir de espumas de carbono porosas basadas en elastómeros de PU de desecho exhiben una capacitancia específica de 74,4 F/g a una densidad de corriente de 0,1 A/g. Los CF preparados contienen partículas de carbono esféricas y tienen la ventaja de una alta densidad de empaquetamiento en comparación con otros carbonos porosos. Por lo tanto, los electrodos CF muestran una excelente capacitancia volumétrica de 134,7 F/cm3 a una densidad de corriente de 0,1 A/g y retienen la capacitancia volumétrica de 64,8 F/cm3 incluso a una alta densidad de corriente de 10 A/g. La baja resistencia en serie equivalente y la resistencia de transferencia de carga obtenidas a partir de mediciones de impedancia respaldan la capacidad del supercondensador para alcanzar alta potencia. El rendimiento electroquímico de los CF no solo está controlado por la estructura jerárquica de los poros y el área de superficie, sino también por el tipo y la concentración de los grupos funcionales superficiales que contienen oxígeno. Ambos EDLC basados ​​en CF exhiben una eficiencia Coulombic cercana al 100 % y un rendimiento cíclico estable durante al menos 5000 ciclos de carga-descarga con una buena retención de capacitancia de aproximadamente el 97,0 % a 3 A/g. Estos resultados sugieren que los CF producidos a partir de plantillas de elastómero de poliuretano de desecho tienen potencial como EDLC.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo. Los datos brutos están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Simon, P. & Gogotsi, Y. Materiales para condensadores electroquímicos. Nat. Madre. 7, 845–854 (2008).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Libich, J., Máca, J., Vondrák, J., Čech, O. & Sedlaříková, M. Supercondensadores: propiedades y aplicaciones. J. Almacenamiento de energía 17, 224–227 (2018).

Artículo de Google Scholar

Wang, Y., Song, Y. & Xia, Y. Condensadores electroquímicos: mecanismo, materiales, sistemas, caracterización y aplicaciones. Química. Soc. Rev. 45, 5925–5950 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Li, S. y col. La construcción in situ de nanocompuestos tridimensionales de TiO2 @ PPy / rGO con estructura de núcleo y cubierta para mejorar el rendimiento del electrodo de supercondensador. Nuevo J. Chem. 45, 1092–1099 (2021).

Artículo CAS ADS Google Scholar

Lukatskaya, MR et al. Intercalación de cationes y alta capacitancia volumétrica de carburo de titanio bidimensional. Ciencia 80 (341), 1502-1505 (2013).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Li, S. y col. Preparación de materiales compuestos Fe3O4@polipirrol para aplicaciones de supercondensadores asimétricos. Nuevo J. Chem. 45, 16011–16018 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Augustyn, V., Simon, P. y Dunn, B. Materiales de óxido pseudocapacitivos para almacenamiento de energía electroquímica de alta velocidad. Entorno energético. Ciencia. 7, 1597-1614 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Inagaki, M. y Kang, F. Ingeniería y aplicaciones de materiales de carbono en ciencia de materiales e ingeniería del carbono: fundamentos (eds. Inagaki, M. y Kang, F.) 219–525 (Butterworth-Heinemann, 2014).

Liu, J. y col. Dispositivos avanzados de almacenamiento de energía: principios básicos, métodos analíticos y diseño racional de materiales. Adv. Ciencia. 5, 1700322 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Li, C., Zhang, X., Wang, K., Sun, X. & Ma, Y. Supercondensador híbrido de iones de litio de alta potencia habilitado por nanocapas de carbono perforadas con porosidad específica. J. Poder amargo. 400, 468–477 (2018).

Artículo CAS ADS Google Scholar

Luo, X., Chen, S., Hu, T., Chen, Y. & Li, F. Carbonos renovables derivados de biomasa para aplicaciones de condensadores electroquímicos. SusMat. 1, 211–240 (2021).

Artículo de Google Scholar

Cao, M. y col. Espuma de carbono porosa independiente como electrodo supercondensador ultraligero y flexible. Carbono NY 161, 224–230 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Lee, HM, An, KH, Park, SJ y Kim, BJ Carbones activados ricos en mesoporos para condensadores eléctricos de doble capa en condiciones de activación óptimas. Nanomateriales 9, 608 (2019).

Artículo CAS PubMed Central Google Scholar

Rufford, TE, Hulicova-Jurcakova, D., Fiset, E., Zhu, Z. & Lu, GQ Capacitancia de doble capa de carbones activados de residuos de café molido en un electrolito orgánico. Electroquímica. comun. 11, 974–977 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Chen, T. y col. Supercondensadores de alta densidad energética con carbono poroso jerárquico dopado con nitrógeno como material activo obtenido a partir de biorresiduos. Renovar. Energía 175, 760–769 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Zhou, Y. et al. Carbono poroso jerárquico codopado N/O derivado de residuos de soja para supercondensador de alto rendimiento. Electrochim. Actas 284, 336–345 (2018).

Artículo CAS ADS Google Scholar

Surya, K. & Michael, MS Nuevos electrodos de carbono porosos jerárquicos interconectados derivados de biorresiduos de cáscara de maíz para aplicaciones de supercondensadores. J. Electroanal. Química. 878, 114674 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Wei, H. y col. Carbón activado jerárquico poroso avanzado derivado de desechos agrícolas hacia supercondensadores de alto rendimiento. J. Compd. de aleaciones. 820, 153111 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Liang, X., Liu, R. & Wu, X. Carbono poroso jerárquico funcionalizado derivado de residuos de biomasa con altas capacitancias gravimétricas y volumétricas para supercondensadores. Mater mesoporoso microporoso. 310, 110659 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Yang, V. y col. Carbono poroso jerárquico altamente ordenado derivado de residuos de biomasa de cáscara de mangostán como material catódico superior para supercondensadores de alto rendimiento. J. Electroanal. Química. 855, 113616 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Su, X. et al. Materiales de carbono porosos jerárquicos a partir de residuos biológicos de piedra de mango para electrodos de supercondensadores de alto rendimiento. Madre. Letón. 230, 123-127 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Tang, D. y col. Materiales de carbono porosos jerárquicos derivados de edodos de lentinus residuales mediante un proceso híbrido hidrotermal y de sales fundidas para aplicaciones de supercondensadores. Aplica. Navegar. Ciencia. 462, 862–871 (2018).

Artículo CAS ADS Google Scholar

Wu, Y. et al. Transformación de una solución de azúcar residual en carbono poroso jerárquico dopado con N para supercondensadores de alto rendimiento en electrolitos acuosos y líquidos iónicos. En t. J. Hidrog. Energía 45, 31367–31379 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Ma, C. y col. Producción en masa verde en un solo recipiente de carbono jerárquicamente poroso mediante una estrategia de plantillas de sal reciclables. Entorno de energía verde. 7, 818–828 (2022).

Artículo de Google Scholar

Li, X. y col. Carbono poroso jerárquico procedente de lodos aceitosos residuales peligrosos para un supercondensador flexible de estado sólido. Electrochim. Acta 240, 43–52 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Konikkara, N., Kennedy, LJ y Vijaya, JJ Preparación y caracterización de carbonos porosos jerárquicos derivados de desechos de cuero sólido para aplicaciones de supercondensadores. J. Peligro. Madre. 318, 173–185 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Utetiwabo, W. y col. Materiales de electrodos derivados de desechos plásticos y otros desechos industriales para supercondensadores. Mentón. Química. Letón. 31, 1474-1489 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Datos sobre la contaminación plástica | PlasticOceans.org/the-facts. https://plasticoceans.org/the-facts/.

Wen, Y. et al. Producción en masa de nanohojas de carbono jerárquicamente porosas mediante la carbonización de plásticos de desecho mixtos del “mundo real” para obtener supercondensadores de excelente rendimiento. Gestión de residuos. 87, 691–700 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Zhang, H., Zhou, XL, Shao, LM, Lü, F. & He, PJ Reciclaje de residuos de PET en gas rico en metano y carbono poroso jerárquico para supercondensador de alto rendimiento mediante pirólisis y activación por presión autógena. Ciencia. Medio ambiente total. 772, 145309 (2021).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Liu, X., Wen, Y., Chen, X., Tang, T. y Mijowska, E. Efecto de cograbado para convertir tereftalato de polietileno residual en carbono poroso jerárquico para un excelente almacenamiento de energía capacitivo. Ciencia. Medio ambiente total. 723, 138055 (2020).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Lian, Y. et al. Carbonos residuales de polietileno con una red mesoporosa hacia supercondensadores de alta eficiencia. Química. Ing. J. 366, 313–320 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Lian, YM y cols. Desde residuos de plástico de polietileno reciclado hasta grafeno/carbono mesoporoso para supercondensadores de alto voltaje. J. Ciencia de la interfaz coloidal. 557, 55–64 (2019).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Liu, X. y col. Conversión altamente eficiente de residuos de plástico en finas nanoláminas de carbono para un almacenamiento de energía capacitivo superior. Carbono NY 171, 819–828 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Ma, C. y col. Transformar residuos de poliestireno en carbono 3D jerárquicamente poroso para supercondensadores de alto rendimiento. Quimiosfera 253, 126755 (2020).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Deka, N., Barman, J., Kasthuri, S., Nutalapati, V. y Dutta, GK Transformación de espuma de poliestireno residual en carbono poroso dopado con N para aplicaciones de desionización y almacenamiento de energía capacitiva. Aplica. Navegar. Ciencia. 511, 145576 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Efimov, MN et al. Rendimiento electroquímico del carbón activado derivado de poliacrilonitrilo preparado mediante pirólisis por infrarrojos. Electroquímica. comun. 96, 98-102 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Jiang, C. y Zou, Z. Carbonos mesoporosos derivados de rellenos de espuma de poliuretano de desecho como materiales de electrodos superiores para EDLC y condensadores de iones de Zn. Diám. Relacionado. Madre. 101, 107603 (2020).

Artículo CAS ADS Google Scholar

Consultores IAL. La 13.ª edición del Informe sobre los mercados de productos químicos y productos de poliuretano en Europa, Oriente Medio y África (EMEA). (2020).

Deng, Y. y col. Revisión del reciclaje termoquímico de residuos de espuma de poliuretano. J. Medio Ambiente. Administrar. 278, 111527 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Udayakumar, M. et al. Síntesis de espumas de carbón activado con alta superficie específica utilizando plantillas de elastómero de poliuretano para la eliminación efectiva del azul de metileno. Árabe. J. química. 14, 103214 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Tomar medidas para los Objetivos de Desarrollo Sostenible - Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas. https://www.un.org/sustainabledevelopment/sustainable-development-goals/.

Rueden, CT y cols. Imagen J2: imageJ para la próxima generación de datos de imágenes científicas. BMC Bioinformática 18, 1–26 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Rajkumar, M., Hsu, CT, Wu, TH, Chen, MG & Hu, CC Materiales avanzados para supercondensadores acuosos en diseño asimétrico. Prog. Nat. Ciencia. Madre. En t. 25, 527–544 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Garrido, J. et al. Uso de nitrógeno vs. dióxido de carbono en la caracterización de carbones activados. Langmuir 3, 76–81 (2002).

Artículo de Google Scholar

Arvind, D. & Hegde, G. Nanoesferas de carbón activado derivadas de materiales de residuos biológicos para aplicaciones de supercondensadores: una revisión. RSC Avanzado. 5, 88339–88352 (2015).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Kierzek, K. & Gryglewicz, G. Carbones activados y su evaluación en condensadores eléctricos de doble capa. Moléculas 25, 4255 (2020).

Artículo CAS PubMed Central Google Scholar

Udayakumar, M. et al. Espumas de carbón compuesto como alternativa al carbón activado convencional derivado de biomasa en aplicación catalítica. Madre. 14, 4540 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Xu, B. y col. ¿Cuál es la elección para los supercondensadores: grafeno u óxido de grafeno? Entorno energético. Ciencia. 4, 2826–2830 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Lee, Y. et al. El efecto del empaque de nanopartículas sobre el rendimiento del electrodo capacitivo. Nanoescala 8, 11940-11948 (2016).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Cao, KLA, Rahmatika, AM, Kitamoto, Y., Nguyen, MTT y Ogi, T. Síntesis controlable de transición de partículas esféricas de carbono de una estructura densa a una estructura hueca derivada de la lignina Kraft. J. Ciencia de la interfaz coloidal. 589, 252–263 (2021).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Xie, Y. Activación electroquímica e hidrotermal del electrodo de supercondensador de fibra de carbono. Fibras Poliméricas. 2021(23), 10-17 (2021).

Google Académico

Park, H., Seo, J., Kim, M., Baeck, SH y Shim, SE Desarrollo de un electrodo supercondensador de espuma de carbono a partir de resorcinol-formaldehído utilizando un método de doble plantilla. Sintetizador. Reunió. 199, 121-127 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Borchardt, L., Leistenschneider, D., Haase, J. y Dvoyashkin, M. Revisión del concepto de jerarquía de poros para el transporte iónico en materiales de carbono para supercondensadores. Adv. Materia energética. 8, 1800892 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Feng, H. y col. Carbono tridimensional estructurado jerárquicamente en forma de panal para supercondensadores de alto rendimiento derivados de lodos de depuradora con alto contenido de cenizas. J. Mater. Química. A 3, 15225–15234 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Tamilarasan, P. & Ramaprabhu, S. Nanotubos de carbono de paredes múltiples parcialmente exfoliados funcionalizados con líquido iónico para supercondensadores de alto rendimiento. J. Mater. Química. A 2, 14054–14063 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Pech, D. y col. Supercondensadores de tamaño micrométrico de potencia ultraalta basados ​​en carbono similar a una cebolla. Nat. Nanotecnología. 5(9), 651–654 (2010).

Artículo CAS PubMed ADS Google Scholar

Chang, Y. et al. Conversión de desechos plásticos de cloruro de polivinilo en materiales carbonosos mediante deshalogenación a temperatura ambiente para un supercondensador de alto rendimiento. Aplicación ACS. Materia energética. 1, 5685–5693 (2018).

CAS Google Académico

Chen, XY, Cheng, LX, Deng, X., Zhang, L. y Zhang, ZJ Conversión generalizada de desechos plásticos que contienen halógenos en carbono nanoporoso mediante un método de carbonización de plantilla. Ing. de Indiana. Química. Res. 53, 6990–6997 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Zhao, Q. y col. Diseño y síntesis de carbonos porosos ordenados jerárquicamente tridimensionales para supercondensadores. Electrochim. Acta 154, 110-118 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Gou, G., Huang, F., Jiang, M., Li, J. y Zhou, Z. Materiales de electrodos de carbono porosos jerárquicos para supercondensadores desarrollados a partir de espuma celulósica de paja de trigo. Renovar. Energía 149, 208–216 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Wan, X. y col. Carbono poroso jerárquico tridimensional a partir de lignina oxidada mediante activación en un solo paso para un supercondensador de alto rendimiento. En t. J. Biol. Macromol. 180, 51–60 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Stoller, MD y Ruoff, RS Métodos de mejores prácticas para determinar el rendimiento de un material de electrodo para ultracondensadores. Entorno energético. Ciencia. 3, 1294-1301 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Universidad de Miskolc. Esta investigación fue apoyada por la Unión Europea y el Estado húngaro, cofinanciada por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional en el marco del proyecto GINOP-2.3.4-15-2016-00004, destinado a promover la cooperación entre la educación superior y la industria. .

Centro de Educación Superior y Cooperación Industrial de Materiales Avanzados y Tecnologías Inteligentes, Universidad de Miskolc, Miskolc, 3515, Hungría

Mahitha Udayakumar, Ravikumar Thangaraj y Zoltán Németh

Instituto de Química, Universidad de Miskolc, Miskolc, 3515, Hungría

Mahitha Udayakumar y Ravikumar Thangaraj

Instituto de Metalurgia Física, Conformación de Metales y Nanotecnología, Universidad de Miskolc, Miskolc, 3515, Hungría

Pál Tóth

RISE Energy Technology Center, Box 726, 941 28, Piteå, Suecia

Henrik Wiinikka y Jaskaran Singh Malhotra

División de Ciencias de la Energía, Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Matemáticas, Universidad Tecnológica de Luleå, 97187, Luleå, Suecia

Henrik Wiinikka

DTU Offshore, Universidad Técnica de Dinamarca, Elektrovej, Edificio 375, 2800, Kongens Lyngby, Dinamarca

Jaskaran Singh Malhotra

Departamento de Ingeniería de Catálisis y Reacción Química, Instituto Nacional de Química, Hajdrihova 19, 1001, Ljubljana, Eslovenia

Blaz Likozar y Saso Gyergyek

Instituto de Asuntos Energéticos y de Calidad, Universidad de Miskolc, Miskolc, 3515, Hungría

Anett Katalin Leskó

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MU realizó experimentos de laboratorio, analizó los resultados y redactó el manuscrito. PT apoyó ideas para el proyecto y revisó y editó críticamente la versión final del manuscrito. HW contribuyó a la discusión de los resultados y brindó comentarios críticos. JSM, BL y SG contribuyeron a la caracterización de las muestras y la discusión de los resultados. AKL y RT ayudaron a dar forma a la investigación y elaboración del manuscrito final. ZN es el autor correspondiente que supervisó la investigación y revisó el manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Zoltán Németh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Udayakumar, M., Tóth, P., Wiinikka, H. et al. Electrodos de espuma de carbono porosa jerárquica fabricados a partir de una plantilla de elastómero de poliuretano residual para condensadores eléctricos de doble capa. Representante científico 12, 11786 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16006-8

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Recibido: 17 de mayo de 2022

Aceptado: 04 de julio de 2022

Publicado: 11 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16006-8

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Revista de Materiales Porosos (2023)

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