Производство активированного угля из биологических отходов Desmostachya bipinnata для улучшения характеристик суперконденсатора

Введение

В последние годы большое внимание было уделено разработке многообещающих устойчивых моделей хранения энергии, которые включают устройства преобразования и хранения в соответствии с глобальными потребностями в энергии [1,2,3]. Устройства хранения энергии, такие как батареи и суперконденсаторы, играют очень важную, эффективную и доступную роль в производстве возобновляемых и устойчивых источников энергии и являются жизнеспособной альтернативой традиционным невозобновляемым источникам энергии. Суперконденсаторы стали наиболее многообещающими устойчивыми устройствами хранения энергии из-за длительного срока службы, высокой плотности мощности и сверхбыстрой зарядки / разрядки [4,5,6,7,8]. Более того, в связи с бурно развивающейся областью исследований углеродных наноматериалов, таких как графен, нанотрубки, наноточки и квантовые точки, также увеличилась интенсивная разработка суперконденсаторных устройств накопления энергии [9,10,11]. Исследования показывают, что многие исследовательские работы были сосредоточены на синтезе материалов и их композитов с другими гибридами, демонстрирующими высокую емкость, широкое окно потенциалов, меньшее сопротивление и хорошее удерживание емкости [12]. Кроме того, производство электродов привлекло большое внимание из-за высокой массовой загрузки активированного материала и отношения массы к токосъемнику [13, 14].

Суперконденсаторы на основе углеродных материалов широко изучаются и предлагают широкие потенциальные окна, ведущие к высокой плотности энергии в присутствии органических электролитов [15, 16]. Следовательно, суперконденсаторы на углеродной основе обладают высоким сопротивлением и низкой емкостью. Но органические электролиты токсичны, легко воспламеняются и сравнительно дороги [15]. Углеродные нанотрубки, графен и т. Д. В некоторой степени чрезмерно влияют на методы получения и доступность первичных материалов и ограничивают их крупномасштабное применение. Поэтому было проведено исследование, касающееся нескольких изменений для различных углеродных материалов с целью увеличения потенциального окна, характеристик суперемкости и уменьшения импеданса с помощью экологически чистого, экономичного и простого в использовании метода [17, 18].

Активированный уголь, имеющий большую площадь поверхности, множество функциональных ассоциатов и достаточную пористость, широко использовался для адсорбции, хранения газа, разделения газов, носителя катализатора, обесцвечивания растворителя, восстановления растворителя, электродов и суперконденсаторов в течение последних нескольких десятилетий. Его пористая структура и другие свойства, такие как большая площадь поверхности, объем пор, наличие различных типов функциональных групп и распределение размеров пор, играют решающую роль в областях применения активированного угля, связанных с абсорбцией [18]. В зависимости от размера пор активированный уголь может использоваться в различных областях, например, микропоры используются для адсорбции более мелких молекул, а мезопоры широко используются для адсорбции более крупных молекул [19, 20].

Многие факторы влияют на свойства активированного угля, такие как сырье, способ синтеза, активирующий реагент и условия окружающей среды во время процесса активации. AC синтезируется путем принятия различных путей синтеза и прекурсоров, которые являются биоотходами / доступными в природе, такими как скорлупа кокосовых орехов [21], ним [22], кукурузный крахмал [23], переработанная макулатура [24], утильные шины [25], и банановое волокно [26]. AC в основном синтезируется с помощью процессов физической и химической активации [19]. Обычно первый в первую очередь включает карбонизацию и дальнейшую активацию в инертной атмосфере или в присутствии газа, такого как CO ₂ или окислители [27], тогда как процесс химической активации сначала включает развитие пористых структур путем добавления активирующих агентов, таких как ZnCl ₂ , NaOH, H ₃ ЗП ₄ , и КОН [12, 28,29,30]. Согласно исследованиям, ZnCl ₂ не является предпочтительным активным агентом из-за проблем, связанных с окружающей средой и некомпетентной рекуперации. Следовательно, AC активируется через ZnCl ₂ не подходит для фармацевтических и агропродовольственных промышленных целей, поскольку они могут испортить результаты [20]. Среди других химических реагентов широко используется КОН, поскольку он приводит к получению АУ с большой площадью поверхности и четко очерченными порами. Gonzalez et al. сообщили об активации KOH вишневых косточек, приводящей к микропористым переменным токам с большой емкостью [31]. Юшин и др. синтезировал АУ на основе древесных опилок путем гидротермальной карбонизации с последующей активацией из KOH и изучил характеристики его суперконденсатора [32]. Ranganathan et al. проиллюстрировал синтез AC из макулатуры с использованием КОН в качестве активирующего агента. Он имеет удельную емкость 180 Ф · г ^-1 . в электролите КОН [24]. He et al. использовали метод быстрого микроволнового нагрева для синтеза АУ из кокса и изучили массовое соотношение КОН и кокс и время активации [33]. Активирующие агенты играют жизненно важную роль во время процесса, такие как дегидратирующие агенты, предотвращающие развитие нескольких промежуточных продуктов. Это также увеличивает плотность пористых размерных структур и снижает время активации, а также температуру [24, 34, 35].

В настоящей работе трава куша ( Desmostachya bipinnata ) был использован в качестве экологически чистого, экономичного и большого количества углеродсодержащих прекурсоров для синтеза активированного угля. Для синтеза AC был принят химический процесс с участием КОН в качестве активирующего агента из-за его большей надежности. Синтезированный материал переменного тока был охарактеризован с помощью УФ – видимой области спектра, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и рамановской спектроскопии. Кроме того, чтобы получить доступ к проверке структурных особенностей, синтезированный материал был охарактеризован методами сканирующей электронной микроскопии (SEM), энергодисперсионной спектроскопии (EDAX), TEM и XRD. Для прикладных целей были приняты методы электрохимического и гальванометрического заряда, после небольшой модификации электрода с трехэлектродной системой. Из-за надежности метода газового хроматографа он использовался для других расчетов, таких как сверхемкость, плотность энергии и плотность тока. Это показывает, что приготовленный переменный ток демонстрирует превосходные свойства сверхмощности благодаря четко определенным пористым свойствам. Отныне это исследование представляет собой первое в своем роде исследование, посвященное производству активированного угля с высокой емкостью (AC) с использованием биологических отходов травы куша ( Desmostachya bipinnata ).

Методы

Материалы

Трава куша ( Desmostachya bipinnata ; DP) был собран из ботанического сада кампуса BHU, Варанаси, Индия, а гидроксид калия (KOH), стеклоуглеродный электрод (GCE) и порошок оксида алюминия были закуплены у Sigma-Aldrich. Водные растворы, использованные во всех экспериментах, были приготовлены с использованием деионизированной воды (DI> 18 МОм см ^-1 , Система Millipore Q).

Для характеристики синтезированных образцов использовались различные аналитические методы. Чтобы получить доступ к структурным особенностям и кристаллическим свойствам активированного угля после синтеза, порошковую дифракцию рентгеновских лучей проводили на рентгеновском дифрактометре PANalytical с использованием CuK _α излучение ( λ =1,540 Å) при 2 θ ~ 10 ° –80 °. Микроструктуру и морфологию поверхности синтезированного материала изучали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ, TECHNAI G ² работал при 200 кВ) и сканирующий электронный микроскоп (Dual FIB:FEI Nanolab работал при 200 кВ). Образец ПЭМ был приготовлен путем капельного литья суспензии порошка DP-AC на сетку с углеродным покрытием с последующей ультразвуковой суспензией в деионизированной воде. Кроме того, некоторые дополнительные структурные особенности синтезированного активированного угля были подтверждены спектроскопией комбинационного рассеяния света. Измерение комбинационного рассеяния света проводилось при возбуждении He – Ne лазером с длиной волны 532 нм с использованием рамановского спектрометра (Renishaw inVia, UK). Кроме того, инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье (FTIR) (Bruker ALPHA II) использовался для исследования присутствия функциональных групп, присоединенных к образцу после синтеза. Оптические свойства оценивали с помощью спектроскопии поглощения УФ – видимого света, записанного с помощью люминесцентных ламп ( λ =365 нм) (PerkinElmer, Lambda 25). Площадь поверхности и распределение пор по размерам предварительно приготовленного образца активированного угля были измерены с помощью анализа адсорбции / десорбции жидкого азота с использованием автоматического метода Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) (micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, США).

Синтез активированного угля

Вкратце, траву куша (DP) разрезали и несколько раз осторожно промывали деионизированной водой до тех пор, пока супернатант не стал бесцветным. DP выдерживали в печи при 100 ° C в течение 5 часов и дополнительно карбонизировали в течение 2 часов в муфельной печи при 700 ° C. Для активации его перемешивали с помощью ступки-пестика в испытанном КОН (мас. / Мас. 1:4), после чего собирали однородную смесь. Далее его выдерживали в трубчатой ​​печи при 700 ° C в течение 2 ч в атмосфере аргона. Смесь дополнительно охлаждали до комнатной температуры, и полученную смесь промывали несколько раз деионизированной водой до тех пор, пока pH не достиг значения ~ 7. Наконец, мы получили продукт в виде активированного угля и хранили его в сосуде для дальнейших экспериментов. и измерения. Общий процесс показан на рис. 1.

Иллюстрация стратегического пути синтеза активированного угля из травы куша ( Desmostachya bipinnata )

Подготовка электрода

Стеклоуглеродный электрод (ГЭЭ) диаметром ~ 0,3 см полировали суспензией оксида алюминия (0,05 мкм). На следующем этапе деионизированная вода использовалась для очистки поверхности ГЦЭ. Его промывали 3–4 раза деионизированной водой и дополнительно обрабатывали ультразвуком в течение 15–20 мин в деионизированной воде и этаноле. Для осаждения AC 1 мг активного материала (AC) растворяли в деионизированной воде (1 мл) и обрабатывали ультразвуком в течение 15 мин. Далее, 10 мкл приготовленного раствора было нанесено по каплям на GCE с помощью микропипетки и высушено в свете лампы без какого-либо близкого контакта для предотвращения загрязнения.

Электрохимические испытания

Электрохимические эксперименты были выполнены на многоканальной рабочей станции CHI-660C с трехэлектродной системой, использующей проволоку из pt, Ag / AgCl и стеклоуглеродный электрод в качестве противоуглеродного электрода, электрода сравнения и рабочего электрода соответственно. Для проведения измерений применяли щелочной водный электролит 6 М КОН. Циклическая вольтамперометрия при различных скоростях сканирования (10–200 мВ с ⁻¹ ) был выполнен с окном качающегося потенциала от -0,35 В до + 0,45 В. Доступ к различным электрохимическим параметрам осуществлялся с помощью следующих уравнений [35,36,37].

Удельная емкость была оценена как

где \ (I _ {{{\ text {Avg}}}} =I _ {\ max} - I _ {\ min} \), а также m и ν представляют собой массу загружаемого материала (г) и скорость сканирования (об / с), соответственно. Кроме того, C _s имеет единицу F g ⁻¹ .

Поскольку метод гальванометрического заряда-разряда (НОД) более надежен и дает более точные результаты, мы приняли метод НОД для дальнейших расчетов. Мы рассчитали удельную емкость по формуле

где I , ∆ t , ∆ V , и м представляют текущий ( A ), период разряда ( с ), окна напряжения ( В ) и масса загружаемого материала ( г ) соответственно.

Кроме того, плотность энергии ( E ) и удельной мощности ( P ) были выведены с помощью уравнений

Результаты и обсуждение

Рентгеновская дифракция

Для доступа к информации, касающейся графитизации материала активированного угля после синтеза, была принята методика XRD. На профиле XRD (рис. 2а) отчетливо видны характерные пики активированного угля при 22 ° и 43 ° [38, 39]. Интенсивность и положение пиков указывают на низкую степень графитизации, закономерности кристаллической структуры и образование K ₂ CO ₃ (2 θ =36,52 °) в качестве промежуточного продукта [40,41,42]. Кроме того, полученные характеристические пики могут быть отнесены к плоскостям отражения (002) и (100) для DP-AC. Широкий пик в спектре указывает на аморфный углерод, в то время как резкость пика, назначенного при 22 °, показывает увеличенный поступательный порядок в углеродном образце при высокой температуре. Эти результаты подтверждают успешное образование материала переменного тока в исходном состоянии.

а Диаграмма XRD и b Рамановский спектр синтезированного активированного угля

Рамановский анализ

Кроме того, материал был охарактеризован с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света, наиболее широко используемого метода для характеристики различных углеродистых материалов. В спектре комбинационного рассеяния активированного углеродного материала наблюдаются два наиболее интенсивных пика при 1346 см ⁻¹ . (Пик D) и 1587 см ⁻¹ (Пик G), как показано на рис. 2b. Пик D является характеристикой дефектов решетки, краевых дефектов, неопрятного выравнивания и низкосимметричной графитовой структуры в активированном углеродном материале [43], а второй пик, то есть пик G, демонстрирует наличие валентных колебаний C =C [43]. 10]. Кроме того, на нем видны еще две полосы с более высокими волновыми числами 2678 см ⁻¹ . (2D) и 2840 см ⁻¹ (S3) из-за обертона углерода и показывает присутствие немногослойного углеродного материала и графитную природу активированного углеродного материала [44].

Далее степень графитизации рассчитывалась по формуле

где R , Я _D, и я _G представляют степень графитизации, интенсивность D-пика, расположенного на 1346 см ^-1 , и интенсивность G-пика на 1587 см ^-1 , соответственно. После расчета значение R оказался равным ~ 0,84, что в некоторой степени относится к более высокому индексу графитизации [10].

Морфологическая характеристика и энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDX)

Чтобы изучить микроструктурные особенности и морфологию поверхности синтезированного материала, были проанализированы изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), как показано на рис. 3a, b. Морфология предполагает наличие крупных пор неправильной формы в синтезированном DP-AC. Возникновение нерегулярных и неупорядоченных структур пор на поверхности является причиной сильной атаки реагента КОН. Поры DP-AC, образовавшиеся во время пиролиза, имеют решающее значение для увеличения площади поверхности и объема пор активированного угля, способствуя диффузии молекул KOH в поры и тем самым увеличивая реакцию углерода, которая, как здесь предполагается, генерирует дополнительные поры в AC. Структура большого размера пор на поверхности активированного угля была полезна для приложений хранения заряда, таких как суперконденсаторы. Кроме того, элементный анализ материала активированного угля после синтеза (рис. 3c) был проведен с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и выявил наличие в нем элементов углерода, кислорода и калия.

а СЭМ-изображение (шкала 10 мкм), b СЭМ-изображение (шкала 2 мкм) и c EDAX профиль свежеприготовленного образца

Просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ) и распределение частиц по размерам

Кроме того, для подтверждения большей структурной информации, размеров кристаллов подготовленного образца была проведена просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Изображения ПЭМ указывают на присутствие нескольких структур размера пор, которые можно увидеть как прозрачные участки (обведены желтым цветом) на рис. 4a, b. Кроме того, рисунок SAED показывает аморфную природу активированного угля, как показано на вставке к рис. 4а.

а Изображение ПЭМ (шкала 100 нм) (вставка:шаблон SAED), b ПЭМ-изображение, показывающее различные размеры пористых структур (шкала шкалы 50 нм) синтезированного активированного угля

Поглощение УФ – видимого света и анализ FTIR

Спектр поглощения в УФ-видимой области для материала активированного угля после синтеза был зарегистрирован и представлен на рис. 5а. Он имеет характерный пик поглощения при 264 нм из-за электронных переходов между связыванием и разрыхлением π -орбитали.

а УФ – видимый спектр и b FTIR-спектр образца активированного угля, полученного из травы куша, после синтеза

Поверхностные химические свойства материала активированного угля после синтеза были проанализированы с помощью ИК-Фурье спектроскопии и показаны на рис. 5b. Он дает подробную информацию о связанных функциональных группах в активированном углеродном материале. Появление полосы поглощения при 3115 см ⁻¹ и небольшой пик на 2368,78 см ⁻¹ является результатом валентного колебания -OH гидроксильных функциональных групп [10, 45, 46] _. Пик при 1624,63 см ⁻¹ связан -C =C растяжением ароматических колец _, которые могут образовываться из-за разложения связей C – H с образованием более стабильной группы –C =C при более высокой температуре активации [47]. Полосы сильного поглощения при 1459,46, 1361,78, 1146,88, 1010,13 и 862,72 см ⁻¹ подтвердить присутствие –C – C (конъюгированного с –C =C), –CH ₃ колебания, валентные колебания C – N, валентные колебания C – O сложного эфира и симметричные валентные колебания –C – O [39, 43, 47,48,49] в материале активированного угля после синтеза, соответственно. Кроме того, сильный пик поглощения при 706,43 см ⁻¹ атрибуты изгиба –C =C в синтезированном DP-AC.

Анализ ставок

N ₂ Изотермы адсорбции и десорбции

Пористость углеродного материала была создана при активации реагентом КОН во время синтеза. Структура пор и площадь поверхности считаются важными факторами для суперконденсаторной или ультраконденсаторной способности материалов [11]. Синтезированный DP-AC был проанализирован N ₂ адсорбционно-десорбционный тест, основанный на принципе БЭТ для определения характеристик структуры пор и площади поверхности. На рисунке 6а изображена изотерма адсорбции-десорбции азота DP-AC, активированного посредством K ₂ . CO ₃ . Форма N ₂ Изотерма адсорбции – десорбции принимается как изотерма смешанного типа, т.е. включает изотермы II и IV. Изотерма типа II, принятая как комбинация изотерм типа I и II, указывает на существование микропористой природы. Начальная часть (вогнутая) демонстрирует полное покрытие монослоя и дальнейшее поглощение мультислоя [11]. Таким образом, изотерма II типа показывает хорошее согласие как в микропористой, так и в микропористой структурах. При относительно более высоком давлении график поглощения заметно указывает на изотермы типа IV, имеющие петлю гистерезиса. Более того, изотерма типа IV приписывает однослойную и многослойную адсорбцию, сопровождающую капиллярную конденсацию, которая имеет место в сужающихся щелевидных порах. Кроме того, площадь поверхности и диаметр пор были оценены с использованием уравнения БЭТ (уравнение 7).

где ( P / P ₀ ) представляет относительное давление, а Q , Q _м , и C представляют собой массу адсорбированного газа, адсорбата в виде монослоя и константу БЭТ соответственно. Параметры площади поверхности, такие как площадь поверхности по БЭТ, площадь поверхности микро- и мезопор, общий объем пор, объем микро- и мезопор, а также средний диаметр пор DP-AC, были выведены и сведены в Дополнительный файл 1:Таблица S2 Дополнительных Информационный раздел.

а N ₂ изотерма адсорбционно-десорбционного анализа (вставка, показывающая соотношение между относительным давлением ( P / P ₀ ) против 1 / [ Q ( P ₀ / P - 1)]), b BJH сюжет; График распределения пор по размерам для материалов из активированного угля (на вставке показано увеличенное изображение, демонстрирующее наличие мезопор для DP-AC)

Распределение размера пор DP-AC

На рис. 6а (вставка) показана прямая зависимость поглощенного количества от относительного давления ( P / P ₀ ), что является хорошим согласием для расчета общей площади поверхности. На рисунке 6b показано распределение пор по размеру в зависимости от дифференциального объема. Для исследования распределения пор по размерам был проведен анализ BJH. Средний диаметр пор и ширина приготовленного образца активированного угля составили ~ 3,3 нм и ~ 2,3 нм соответственно. Соответствующий средний объем пор составляет 0,126 см ³ г ⁻¹ . На рис. 6b (вставка) в увеличенном масштабе показан дифференциальный объем BJH и распределение диаметров пор для DP-AC. Изотерма БЭТ показывает, что площадь поверхности составляет ~ 738,56 м ² г ⁻¹ , что предполагает наличие мезо- и макропор в синтезированном образце. Материалы, имеющие высокое отношение поверхности к объему и обилие мезопор, стимулируют накопление достаточного заряда (плотность энергии) и кинетику быстрой передачи заряда (плотность мощности), соответственно, и имеют решающее значение для усовершенствованного накопления энергии.

Электрохимический анализ

Циклическая вольтамперометрия (CV), гальваностатический заряд-разряд (GCD) и спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) были использованы для наблюдения за электрохимическими характеристиками DP-AC для суперконденсатора. Все исследования проводились с трехэлектродной системой в 6 М КОН в качестве раствора электролита.

Оценка электрохимических характеристик с использованием CV кратко представлена ​​на рис. 7a. На рисунке изображены CV-кривые при различных скоростях сканирования в диапазоне 10–200 мВ с ⁻¹ . в пределах потенциального окна от 0,35 В до +0,45 В и показывает прямоугольную форму циклической объемной кривой переменного тока. На рисунке 7b показана общая характеристика электрохимического накопителя энергии. Низкая скорость сканирования показывает более высокое значение удельной емкости, чем более высокая скорость, поскольку при низкой скорости сканирования ионы в электролите могут диффундировать в доступные поры электрода, обеспечивая хорошее взаимодействие между ионами и порами электрода для происходить. При более высоких скоростях, плохая доступность или меньшее время для гидроксильных ионов, чтобы перейти от электролита к поверхности электрода, и, таким образом, ионы вызывают снижение удельной емкости [50, 51]. Мы наблюдали максимальную удельную емкость при 10 В / с ⁻¹ . скорость сканирования, при этом скорость сканирования уменьшена со 160 до 10 В с ⁻¹ . Большая площадь поверхности и высокая пористость играют решающую роль в обладании высокой емкостью. Более того, замкнутая прямоугольная форма CV объясняет оптимизацию комбинированного объема микропор и мезопор, а также хорошую электропроводность. Впредь максимальная удельная емкость C _SP как ~ 220,70 F g ⁻¹ было обнаружено при 10 мВ с ⁻¹ для DP-AC рассчитывается по формуле. 1.

а Циклическая вольтамперограмма (CV) при разных скоростях сканирования, b удельная емкость через CV, c кривые гальваностатического заряда-разряда при различных плотностях тока, d удельная емкость через GCD, e циклическая стабильность материала электродов DP-AC в исходном состоянии до 5000-го цикла с начальным и конечным циклами при плотности тока 0,7 А · г ⁻¹

Эти превосходные характеристики DP-AC объясняются его пористой пластинчатой ​​структурой, которая играет жизненно важную роль для ионов электролита, обеспечивая быструю транспортировку и хранение заряда.

Кроме того, электрохимическая емкость и колумбическая эффективность были выведены из электрохимических характеристик электродного материала с использованием метода гальваностатического заряда-разряда в фиксированном окне потенциала при контролируемых токовых ситуациях при различных плотностях тока 0,7, 0,9, 1,5, 1,8 и 2 А. г ⁻¹ . Он показывает гальванометрический профиль почти треугольной формы (рис. 7c), что указывает на характеристику EDLC в электроде DP-AC. Максимальный C _SP было выведено как 218 F g ⁻¹ при плотности тока 0,7 А · г ⁻¹ для DP-AC из уравнения. 2. На рисунке 7d показано изменение удельной емкости в зависимости от плотности тока [52,53,54]. По мере постепенного увеличения плотности тока удельная емкость медленно уменьшается. Известно, что когда зарядный ток становится быстрее, ионам электролита становится трудно быстро диффундировать в соответствующие поры электродного материала. Более того, поскольку циклическая стабильность материала является решающим параметром для практического использования суперконденсатора, была проверена циклическая способность материала электродов DP-AC. Рисунок 7e показывает, что ~ 88% первоначальной удельной емкости сохраняется, и свидетельствует о его способности к быстрой зарядке и разрядке без какого-либо ухудшения даже после 5000-го цикла [50, 53, 54] и, в свою очередь, подтверждает долговечность оригинального изделия. материал.

Для дальнейшей проверки характеристик синтезированного материала DP-AC для приложений накопления энергии на практике, плотность энергии и мощности рассматриваются как два жизненно важных параметра и были выведены из профиля заряда / разряда с использованием формул. 3 и 4. Максимальная плотность энергии составляет 19,3 Вт · ч кг ^-1 . с достаточно хорошей удельной мощностью 277 Вт · кг ⁻¹ согласно оценке в диапазоне от - 0,35 В до + 0,45 В и показано на рис. 8a. Таким образом, в соответствии с графиком Рагона мы разработали суперконденсатор с повышенной плотностью энергии и без потери плотности мощности, который можно использовать на практике. Также замечательный C _SP в широком потенциальном окне демонстрирует достаточное увеличение плотности энергии синтезированного DP-AC. Некоторые расширенные расчеты, связанные с характеристиками суперконденсатора, были выведены и отображены в Дополнительном файле 1:Таблица.S1.

а График Рагона для конденсатора GCD и b Nyquist plot of impedance for as-synthesized DP-AC

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.

Заключение

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.

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

DP:

Desmostachya bipinnata

AC:

Активированный уголь

КОН:

Гидроксид калия

GCE:

Стеклоуглеродный электрод

XRD:

X-ray powder diffraction

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

EDAX:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

СТАВКА:

Brunauer–Emmett–Teller

Резюме:

Циклическая вольтамперометрия

GCD:

Galvanostatic charge–discharge

EIS:

Электрохимическая импедансная спектроскопия