Дизайн пористой структуры активированных углей из растительных отходов для электродных материалов суперконденсаторов на неводных электролитах

Рассмотрены возможности применения активированных углей (АУ) из растительной биомассы в качестве электродных материалов суперконденсаторов на основе органических электролитов и ионных жидкостей. Отмечено, что АУ, используемые в суперконденсаторах, должны обладать рядом характеристик, наиболее принципиальными из которых являются текстурные: удельная поверхность по БЭТ не менее ~1500 м²/г и наличие высокой доли мезопор. Выполнены исследования по использованию двух типов растительных отходов (шелуха риса и скорлупа кедрового ореха), а также двух методик химической активации (щелочная/карбонатная и фосфорнокислотная), в результате которых получены АУ с требуемыми текстурными характеристиками.

1. Yeletsky P.M., Lebedeva M. V., Yakovlev V.A. Today’s progress in the synthesis of porous carbons from biomass and their application for organic electrolyte and ionic liquid based supercapacitors. J. Energy Storage. 2022. № 50. Р. 104225.

2. Pandey K., Kyung Jeong H. Silicon-Carbon nanofiber composite film for supercapacitor applications. Chem. Phys. Lett. 2024. №834. Р. 140972.

3. Wan Z., Chen X., Gu M. Laser scribed graphene for supercapacitors. Opto-Electronic Adv. 2021. № 4. С. 200079—200079.

4. Luo X., Yang Q., Dong Y., Huang X., Kong D., Wang B., Liu H., Xiao Z., Zhi L. Maximizing pore and heteroatom utilization within N,P-co-doped polypyrrole-derived carbon nanotubes for high-performance supercapacitors. J. Mater. Chem. A. 2020. № 8. Р. 17558—17567.

5. Zhang Z.J., Han B., Zhao K.Y., Gao M.H., Wang Z.Q., Yang X.M., Chen X.Y. Surface modification of carbon materials by nitrogen/phosphorus co-doping as well as redox additive of ferrous ion for cooperatively boosting the performance of supercapacitors. Ionics (Kiel). 2020. № 26. Р. 3027—3039.

6. Alcaсiz-Monge J., Román-Martínez M. del C., Lillo-Ródenas M.Á. Chemical Activation of Lignocellulosic Precursors and Residues: What Else to Consider? Molecules. 2022. № 27. Р. 1630.

7. Koskin A.P., Zibareva I. V., Vedyagin A.A. Conversion of Rice Husk and Nutshells into Gaseous, Liquid, and Solid Biofuels. Biorefinery of Alternative Resources: Targeting Green Fuels and Platform Chemicals. Singapore: Springer Singapore, 2020. Р. 171—194.

8. Villora-Picó J.-J., Gil-Muñoz G., Sepúlveda-Escribano A., Pastor-Blas M.M. Doped activated carbons obtained from nitrogen and sulfurcontaining polymers as metal-free catalysts for application in nitroarenes hydrogenation. Int. J. Hydrogen Energy. 2024. № 53. Р. 490—502.

9. Farberova E.A., Pershin E.A., Maksimov A.S., Khodyashev N.B., Smirnov S.A., Kuz’minykh K.G. Research of the petroleum coke thermal properties in activated carbon production process. ChemChemTech. 2023. № 66. Р. 102—110.

10. Xie D., Huang J., Wang Z., Hu W., Liu C., Wang D., Li X., Qiao Y. Activated carbon derived from hydrochar of food waste for supercapacitor: Effect of components on electrochemical performance. Fuel Process. Technol. 2023. № 244. Р. 107691.

11. Мухин В.М., Таранченко Ю.Ф., Гиматдинов Т.В. Технология получения активных углей на основе уплотнённого растительного сырья. Теоретическая и прикладная экология. 2015. С. 55—60.

12. Larichev Y.V., Yeletsky P.M., Yakovlev V.A. Study of silica templates in the rice husk and the carbon-silica nanocomposites produced from rice husk. J. Phys. Chem. Solids. Elsevier, 2015. № 87. Р. 58—63.

13. Costa R.A., Lourenзo A., Patrнcio H., Quilhу T., Gominho J. Valorization of Pine Nut Industry Residues on a Biorefinery Concept. Waste and Biomass Valorization. 2023. № 14. С. 4081—4099.

14. Yeletsky P.M., Yazykov N.A., Dubinin Y.V., Borodaevskiy M.M., Selishcheva S.A., Yakovlev V.A. Green approach to production of porous char adsorbents via oxidative carbonization in fluidized catalyst bed. Nanosyst. Physics, Chem. Math. 2024. № 15. С. 285—299.

15. Thommes M., Kaneko K., Neimark A. V., Olivier J.P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K.S.W. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 2015. № 87. Р. 1051—1069.

16. Kruk M., Jaroniec M., Gadkaree K.P. Nitrogen Adsorption Studies of Novel Synthetic Active Carbons. J. Colloid Interface Sci. 1997. № 192. Р. 250—256.

17. Yu J., Guo Q., Gong Y., Ding L., Wang J., Yu G. A review of the effects of alkali and alkaline earth metal species on biomass gasification. Fuel Process. Technol. 2021. № 214. Р. 106723.

18. Yeletsky P.M., Yakovlev V.A., Mel’gunov M.S., Parmon V.N. Synthesis of mesoporous carbons by leaching out natural silica templates of rice husk. Microporous Mesoporous Mater. Elsevier Inc., 2009. № 121. Р. 34—40.

19. Niu H., Jin H., Sun Q., Shi Y., Zhang X., Cai Y. Activation of Biochars by Waste Phosphoric Acids: An Integrated Disposal Route of Waste Acids and Solid Waste. ACS Sustain. Chem. Eng. 2021. № 9. Р. 16403—16414.

20. Li J., Tang J., Yuan J., Zhang K., Shao Q., Sun Y., Qin L.C. Interactions between Graphene and Ionic Liquid Electrolyte in Supercapacitors. Electrochim. Acta. Elsevier Ltd, 2016. № 197. Р. 84—91.