Enquête sur la régulation de la structure des pores du charbon actif dérivé des sargasses et son application dans les supercondensateurs

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10106 (2022) Citer cet article

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Afin de réaliser une régulation efficace de la structure des pores du charbon actif et d'optimiser ses propriétés de structure des pores en tant que matériau d'électrode, les effets de la température d'activation, du temps d'activation et du taux d'imprégnation sur la surface spécifique, le volume total des pores et le diamètre moyen des pores du charbon actif. le carbone préparé par les sargasses est étudié par expérience orthogonale. De plus, les propriétés électrochimiques du charbon actif à base de sargasses (SAC) et la relation entre la capacité gravimétrique et la surface spécifique du SAC sont également étudiées. Les SAC préparés dans toutes les conditions ont une surface spécifique élevée (≥ 2227 m2 g−1) et une structure de pores développée, dans laquelle le diamètre des pores des micropores est principalement concentré dans 0,4 ~ 0,8 nm, le diamètre des pores des mésopores principalement concentré dans 3 ~ 4. nm, et le nombre de micropores est bien supérieur à celui des mésopores. Dans le processus d'activation, le taux d'imprégnation a le plus grand effet sur la surface spécifique du SAC, la température d'activation et le taux d'imprégnation ont un effet significatif sur le volume total des pores du SAC et la régulation du diamètre moyen des pores du SAC est principalement réalisée. en ajustant la température d’activation. Les SAC présentent des performances de capacité électrique double couche typiques sur les supercondensateurs, offrant une capacité gravimétrique supérieure de 237,3 F g−1 dans un système électrolytique KOH à 6 moles L−1 à une densité de courant de 0,5 A g−1 et une excellente stabilité de cyclage de rétention de capacité de 92 % après 10 000 cycles. Une bonne relation linéaire entre la capacité gravimétrique et la surface spécifique du SAC est observée.

L'augmentation continue de la consommation de combustibles fossiles traditionnels, tels que le charbon, le pétrole et le gaz naturel, a conduit à une crise énergétique et à une pollution environnementale de plus en plus graves, qui ont intensifié la demande mondiale d'énergie propre et renouvelable1,2,3. L’utilisation d’énergies renouvelables propres, telles que l’énergie solaire, l’énergie éolienne et l’énergie marine, s’est développée rapidement ces dernières années. Les inconvénients de ces sources d’énergie renouvelables, notamment l’intermittence et l’instabilité, limitent dans une large mesure leur application. Un système de stockage d'énergie efficace doit être mis en place pour utiliser pleinement l'électricité produite par ces sources d'énergie renouvelables et propres4. En tant que dispositifs de stockage d'énergie prometteurs, les batteries au lithium ou autres batteries à ions métalliques, les piles à combustible et les supercondensateurs ont attiré beaucoup d'attention et ont donné lieu à des résultats de recherche remarquables5,6,7,8. Selon le mécanisme de stockage d’énergie, les supercondensateurs sont divisés en pseudo-condensateurs et condensateurs électriques à double couche (EDLC)3,9. Les EDLC sont considérés comme les plus compétitifs dans les applications haute puissance en raison de leur mécanisme de stockage d'énergie électrostatique. Ils se caractérisent également par une vitesse de charge et de décharge rapide, une longue durée de vie, un poids léger, une large plage de températures de service et un respect de l'environnement10,11,12. Les performances électrochimiques des EDLC sont principalement déterminées par les matériaux de leurs électrodes. Par conséquent, l’exploration de nouveaux matériaux d’électrode et l’amélioration des caractéristiques des matériaux d’électrode, y compris les caractéristiques de la structure des pores, sont généralement sélectionnées pour améliorer considérablement les performances électrochimiques des EDLC13,14,15,16.

Selon le mécanisme de stockage d'énergie de la double couche électrique, la capacité électrique de l'EDLC dépend de la charge accumulée sur la double couche électrique de l'électrode de polarisation. La charge de stockage du matériau de l'électrode se produit principalement à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte. Le matériau de l’électrode doit posséder une surface accessible extrêmement grande d’ions électrolytes afin que l’EDLC ait la capacité de stocker plus de charges17,18,19,20. Les matériaux à base de carbone ayant une surface spécifique élevée, tels que le charbon actif, le graphène, les nanotubes de carbone et l'aérogel de carbone, sont devenus les principaux objets de sélection des matériaux d'électrode pour les EDLC21,22,23. Parmi eux, le charbon actif est devenu le matériau d’électrode le plus largement utilisé pour les EDLC en raison de ses matières premières abondantes, de sa méthode de préparation mature, de son faible coût et de sa non-toxicité24,25.