Получение активированного углерода из отходов биомассы для применения в суперконденсаторах


Просмотры: 6 / Загрузок PDF: 1

Авторы

  • Н. Маканова National Laboratory Astana, Назарбаев Университет, Астана, Казахстан https://orcid.org/0009-0008-0208-278X
  • А. Белгибаева National Laboratory Astana, Назарбаев Университет, Институт аккумуляторов, Астана, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-3052-5241
  • А. Муканова National Laboratory Astana, Назарбаев Университет, Институт аккумуляторов, Астана, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-1171-176X
  • А. Нурпейсова National Laboratory Astana, Назарбаев Университет, Институт аккумуляторов, Астана, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-9657-2964

DOI:

https://doi.org/10.32523/2616-6771-2025-153-4-40-54

Ключевые слова:

суперконденсаторы, углеродный материал, активированный углерод, химическая активация

Аннотация

Высокий спрос на материалы для сохранения энергии и потребность в устойчивом и экологичном развитии увеличивает внимание ученых к использованию возобновляемых ресурсов и утилизации биоотходов. В этой работе мы использовали косточки фиников — доступный и ежегодно возобновляемый побочный продукт пищевой промышленности.  Богатые углеродом, финиковые семечки обладают врожденным потенциалом служить предшественниками углеродных электродов в суперконденсаторах. Для повышения циклической стабильности и кулоновской эффективности были изготовлены свободностоящие электроды. Процесс активации при соотношении КОН и биоугля 1:3  позволил получить удельную ёмкость 204 Ф/г для двухэлектродной симметричной системы  при плотности тока 0,2 А/г, также плотность энергии 6,5 Втч/кг и удельную мощность  равную 47,70 Вт/кг, что подчеркивает эффективность этого подхода в повышении  структурной целостности и улучшении электрохимических свойств. Анализ BET выявил высокую площадь поверхности угля, активированного в соотношении 1:3 КОН, значение для которого составило 2423,4 м2/г. В этом исследовании внедрение свободностоящих электродов привело к высокому кулоновскому значению равному 99,97%, что в свою очередь позволяет получить высокую производительность суперконденсаторов.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Библиографические ссылки

Béguin, F., Presser, V., Balducci, A., & Frackowiak, E. (2014). Carbons and electrolytes for advanced supercapacitors. Adv Mater, 26, 2219–2251. https://doi.org/10.1002/adma.201304137

Chen, X., Paul, R., & Dai, L. (2017). Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage. Natl Sci Rev, 4, 453–489. https://doi.org/10.1093/nsr/nwx009

Duraisamy, N., Shenniangirivalasu, K., Dhandapani, E., Kandiah, K., Panchu, S. J., & Swart, H. C. (2025). Biomass Derived 3D Hierarchical Porous Activated Carbon for Solid‑State Symmetric Supercapacitors. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. https://doi.org/10.1007/s10904-025-03837-x

Elanthamilan, E., Catherin Meena, B., Renuka, N., Santhiya, M., George, J., Kanimozhi, E.P., Christy Ezhilarasi, J., & Princy Merlin, J. (2021). Walnut shell derived mesoporous activated carbon for high performance electrical double layer capacitors. J Electroanal Chem, 901, 115762. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2021.115762

Feng, Y., & Yang, Q. (2024). Porous carbon derived from activated banana peels for energy storage and conversion application. In: Elsevier (Eds.), Banana Peels Valorization, 229–258. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-95937-7.00010-X

Ghosh, S., Santhosh, R., Jeniffer, S., Raghavan, V., Jacob, G., Nanaji, K., Kollu, P., Jeong, S. K., & Grace, A. N. (2019). Natural biomass derived hard carbon and activated carbons as electrochemical supercapacitor electrodes. Sci Rep, 9, 52006. https://doi.org/10.1038/s41598-019-52006-x

Goskula, S., Siliveri, S., Gujjula, S. R., Adepu, A. K., Chirra, S., & Narayanan, V. (2023). Development of activated sustainable porous carbon adsorbents from Karanja shell biomass and their CO2 adsorption. Biomass Convers Biorefin, 14, 32413–32425. https://doi.org/10.1007/s13399-023-05198-2

He, Z., Zhang, G., Chen, Y., Xie, Y., Zhu, T., Guo, H., & Chen, Y. (2017). The effect of activation methods on the electrochemical performance of ordered mesoporous carbon for supercapacitor applications. J Mater Sci, 52, 8161–8173. https://doi.org/10.1007/s10853-016-0536-x

Heidarinejad, Z., Dehghani, M.H., Heidari, M., Javedan, G., Ali, I., & Sillanpää, M. (2020). Methods for preparation and activation of activated carbon: a review. Environ Chem Lett, 18, 393–415. https://doi.org/10.1007/s10311-019-00955-0

Hu, Z., & Srinivasan, M. P. (1999). Preparation of high-surface-area activated carbons from coconut shell. Microporous Mesoporous Mater, 27, 11–18. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(98)00183-8

Huang, S., Zhu, X., Sarkar, S., & Zhao, Y. (2019). Challenges and opportunities for supercapacitors. APL Mater, 7, 100902. https://doi.org/10.1063/1.5116146

Issatayev, N., Tassybay, K., Wu, N.-L., Nurpeissova, A., Bakenov, Z., & Kalimuldina, G. (2024). LiF modified hard carbon from date seeds as an anode material for enhanced low-temperature lithium-ion batteries. Carbon, 229, 119479. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119479

Laheäär, A., Przygocki, P., Abbas, Q., & Béguin, F. (2015). Appropriate methods for evaluating the efficiency and capacitive behavior of different types of supercapacitors. Electrochem Commun, 60, 21–25. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2015.07.022

Lee, H.-C., Byamba-Ochir, N., Shim, W.-G., Balathanigaimani, M. S., & Moon, H. (2015). High-performance supercapacitors based on activated anthracite with controlled porosity. J Power Sources, 275, 668–674. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.11.072

Li, G., Iakunkov, A., Boulanger, N., Lazar, O. A., Enachescu, M., Grimm, A., & Talyzin, A. V. (2023). Activated carbons with extremely high surface area produced from cones, bark and wood using the same procedure. RSC Adv, 13, 14543–14553. https://doi.org/10.1039/D3RA00820G

Li, G., Li, Y., Chen, X., Hou, X., Lin, H., & Jia, L. (2020). One-step synthesis of N, P co-doped hierarchical porous carbon nanosheets derived from pomelo peel for high-performance supercapacitors. Journal of Alloys and Compounds, 820, 153123. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153123

Liu, Y., Tan, H., Tan, Z., & Cheng, X. (2022). Rice husk–derived capacitive carbon prepared by one-step molten salt carbonization for supercapacitors. Journal of Energy Storage, 55, 105437. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105437

Liang, X., Liu, R., & Wu, X. (2021). Biomass waste derived functionalized hierarchical porous carbon with high gravimetric and volumetric capacitances for supercapacitors. Microporous and Mesoporous Materials, 310, 110659. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110659

Lin, G., Wang, F., Wang, Y., Xuan, H., Yao, R., Hong, Z., & Dong, X. (2015). Enhanced electrochemical performance of ordered mesoporous carbons by a one-step carbonization/activation treatment. J Electroanal Chem, 758, 1–7. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.10.016

Menya, E., Olupot, P.W., Storz, H., Lubwama, M., & Kiros, Y. (2018). Production and performance of activated carbon from rice husks for removal of natural organic matter from water: A review. Chem Eng Res Des, 129, 271–296. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2017.11.008

Neimark, A. V., Lin, Y., Ravikovitch, P. I., & Thommes, M. (2009). Quenched solid density functional theory and pore size analysis of micro‑mesoporous carbons. Carbon, 47(7), 1617–1628. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.01.050

Parejo-Tovar, A., & Béguin, F. (2024). The NaClO4-water eutectic electrolyte for environmentally friendly electrical double-layer capacitors operating at low temperature. Energy Storage Mater, 69, 103387. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103387

Poonam, Sharma, K., Arora, A., & Tripathi, S. K. (2019). Review of supercapacitors: Materials and devices. J Energy Storage, 21, 801–825.

Ravikovitch, P. I., & Neimark, A. V. (2006). Density functional theory model of adsorption on amorphous and microporous silica materials. Langmuir, 22(26), 11171–11179. https://doi.org/10.1021/la061560m

Rijfkogel, L. S., Ghanbarian, B., Hu, Q., & Liu, H.-H. (2019). Clarifying pore diameter, pore width, and their relationship through pressure measurements: A critical study. Mar Pet Geol, 107, 142–148. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2019.05.019

Said, B., Bacha, O., Rahmani, Y., Harfouche, N., Kheniche, H., Zerrouki, D., Belkhalfa, H., & Henni, A. (2023). Activated carbon prepared by hydrothermal pretreatment-assisted chemical activation of date seeds for supercapacitor application. Inorg Chem Commun, 155, 111012. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2023.111012

Sing, K. S. W. (1985). Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity. Pure Appl Chem, 57, 603–619. https://doi.org/10.1351/pac198557040603

Sujiono, E. H., Zabrian, D., Zurnansyah, M., Mulyati, Z., Zharvan, V., Samnur, & Humairah, N. A. (2022). Fabrication and characterization of coconut shell activated carbon using variation chemical activation for wastewater treatment application. Results Chem, 4, 100291. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2022.100291

Supiyeva, Z., Pan, X., & Abbas, Q. (2023). The critical role of nanostructured carbon pores in supercapacitors. Curr Opin Electrochem, 39, 101249. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2023.101249

Suresh Kumar Reddy, K., Al Shoaibi, A., & Srinivasakannan, C. (2015). Impact of process conditions on preparation of porous carbon from date palm seeds by KOH activation. Clean Technol Environ Policy, 17, 1671–1679. https://doi.org/10.1007/s10098-014-0875-8

Tang, M., Meng, Y., Yang, Y., & Wu, S. (2025). Expanding the electrochemical stable window of water through propylene carbonate addition for aqueous-based energy storage devices. Chem Eng J, 504, 158831. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158831

Wang, J., & Kaskel, S. (2012). KOH activation of carbon-based materials for energy storage. J Mater Chem, 22, 23710–23725. https://doi.org/10.1039/c2jm34066f

Wang, Y., Chen, Y., Zhao, H., Li, L., Ju, D., Wang, C., & An, B. (2022). Biomass‑Derived Porous Carbon with a Good Balance between High Specific Surface Area and Mesopore Volume for Supercapacitors. Nanomaterials, 12(21), 3804. https://doi.org/10.3390/nano12213804

Yan, B., Zheng, J., Feng, L., Du, C., Jian, S., Yang, W., Wu, Y. A., Jiang, S., He, S., & Chen, W. (2022). Wood‑derived biochar as thick electrodes for high‑rate performance supercapacitors. Biochar, 4(1), 50. https://doi.org/10.1007/s42773-022-00176-9

Yang, Z., Gleisner, R., Mann, D. H., Xu, J., Jiang, J., & Zhu, J. Y. (2020). Lignin based activated carbon using H3PO4 activation. Polymers, 12, 2829. https://doi.org/10.3390/polym12122829

Zhai, Z., Zhang, L., Du, T., Ren, B., Xu, Y., Wang, S., Miao, J., & Liu, Z. (2022). A review of carbon materials for supercapacitors. Mater Des, 223, 111017. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111017

Zhang, J., Chen, H., Ma, Z., Li, H., Dong, Y., Yang, H., Yang, L., Bai, L., Wei, D., & Wang, W. (2020). A lignin dissolution-precipitation strategy for porous biomass carbon materials derived from cherry stones with excellent capacitance. J Alloys Compd, 832, 155029. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155029

Zhang, J., Chen, H., Bai, J., Xu, M., Luo, C., Yang, L., Bai, L., Wei, D., Wang, W., & Yang, H. (2020). N‑doped hierarchically porous carbon derived from grape marcs for high‑performance supercapacitors. Journal of Alloys and Compounds, 846, 157207. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157207

Zhao, X., Wang, H., Guliqire, T., Sun, C., & Yang, C. (2024). The influence of ethylene glycol on the low-temperature electrochemical performance of carbon-based supercapacitors. Ionics, 30, 5675–5683. https://doi.org/10.1007/s11581-024-05535-z

Загрузки

Опубликован

24-12-2025

Выпуск

Раздел

Химия

Похожие статьи

1 2 3 > >> 

Вы также можете начать расширеннвй поиск похожих статей для этой статьи.