ШАЙ ҚАЛДЫҚТАРЫНАН АЛЫНҒАН ГРАФЕН ТӘРІЗДІ КӨМІРТЕК НЕГІЗІНДЕ ЖОҒАРЫ ӨНІМДІ СУПЕРКОНДЕНСАТОР ЭЛЕКТРОДТАРЫН ДАЙЫНДАУ
https://doi.org/10.55452/1998-6688-2024-21-4-186-195
Аннотация
Бұл мақалада шай қалдықтарынан алынған графен тәрізді көміртегінің (ГТК) негізінде суперкон-енсатор электродтары үшін белсенді материалды алу әдістері мен зерттеу нәтижелері ұсынылған. Белсенді материал 550°C температурада карбонизацияланып, кейін 850°C температурада кварц құбырлы пеште калий гидроксиді (KOH) арқылы 1:4 қатынасында термохимиялық белсендіру жүргізілді. Шай қалдықтарына негізделген кеуекті графен тәрізді көміртектің құрылымы мен морфологиясы сканерлеуші электрондық микроскопия (SEM), Брунауэр-Эммет-Теллер (BET) әдісі, рентгендік дифракция және Раман спектроскопиясы арқылы зерттелді. Белсендірілген кеуекті графен тәрізді көміртектің беттік ауданы 2407 м²/г құрады. Суперконденсатордың электрохимиялық сипаттамалары Elins P-40X электрохимиялық жұмыс станциясында зерттелді. Сынақ нәтижелері материалдың 1 А/г тоқ тығыздығында 182 Ф/г жоғары меншікті сыйымдылыққа және 96% кулондық тиімділікке қол жеткізгенін көрсетті. Сондай-ақ, шамамен 1,5 Ом заряд тасымалдау кедергісі тіркелді, бұл материалдың электрод ретіндегі әлеуетін айқындай түседі. Бұл зерттеудің нәтижелері шай қалдықтарынан алынған графен тәрізді көміртекті суперконденсаторлар үшін перспективалық материал ретінде пайдаланудың жоғары тиімділігін дәлелдейді және қалдықтарды пай далы бағытта өңдеу мүмкіндіктерін көрсетеді.
Авторлар туралы
Ә. Н. ДүйсенбекҚазақстан
PhD докторант
Алматы қ.
Е. Е. Бейсенова
Қазақстан
PhD
Алматы қ.
Р. Е. Бейсенов
Қазақстан
PhD
Алматы қ.
Қ. Асқарұлы
Қазақстан
PhD
Алматы қ.
Н. Г. Приходько
Қазақстан
PhD, х.ғ.д., профессор
Алматы қ.
А. Б. Туганбаев
Қазақстан
бас инженер
Талдықорған қ.
Әдебиет тізімі
1. Frackowiak E., Abbas Q., Béguin F. Carbon/carbon supercapacitors, Journal of Energy Chemistry, 2013, vol. 22, pp. 226–240. https://doi.org/10.1016/S2095-4956(13)60028-5.
2. Gao Y., Zhou Y.S., Qian M., He X.N., Redepenning J., Goodman P., Li H.M., Jiang L., Lu Y.F. Chemical activation of carbon nano-onions for high-rate supercapacitor electrodes, Carbon, 2013, vol. 51, pp. 52–58. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.08.009.
3. Fu M., Huang J., Feng S., Zhang T., Qian P.-C., Wong W.-Y. One-step solid-state pyrolysis of bio-wastes to synthesize multi-hierarchical porous carbon for ultra-long life supercapacitors, Mater. Chem. Front., 2021, vol. 5, pp. 2320–2327. https://doi.org/10.1039/D0QM00960A.
4. Tian Q., Wang X., Xu X., Zhang M., Wang L., Zhao X., An Z., Yao H., Gao J. A novel porous carbon material made from wild rice stem and its application in supercapacitors, Materials Chemistry and Physics, 2018, vol. 213, pp. 267–276. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.04.026.
5. Laheäär A., Przygocki P., Abbas Q., Béguin F. Appropriate methods for evaluating the efficiency and capacitive behavior of different types of supercapacitors, Electrochemistry Communications, 2015, vol. 60, pp. 21–25. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2015.07.022.
6. Abbas A., Tabish T.A., Bull S.J., Lim T.M., Phan A.N. High yield synthesis of graphene quantum dots from biomass waste as a highly selective probe for Fe3+ sensing, Sci Rep., 2020, vol. 10, 21262. https://doi.org/10.1038/s41598-020-78070-2.
7. Wang Y., Shi Z., Huang Y., Ma Y., Wang C., Chen M., Chen Y. Supercapacitor Devices Based on Graphene Materials, J. Phys. Chem., 2009, vol. 113, pp. 13103–13107. https://doi.org/10.1021/jp902214f.
8. Yeleuov M., Daulbayev C., Taurbekov A., Abdisattar A., Ebrahim R., Kumekov S., Prikhodko N., Lesbayev B., Batyrzhan K. Synthesis of graphene-like porous carbon from biomass for electrochemical energy storage applications, Diamond and Related Materials, 2021, vol. 119, 108560. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108560.
9. Roy A., Kar S., Ghosal R., Naskar K., Bhowmick A.K. Facile Synthesis and Characterization of Few-Layer Multifunctional Graphene from Sustainable Precursors by Controlled Pyrolysis, Understanding of the Graphitization Pathway, and Its Potential Application in Polymer Nanocomposites, ACS Omega, 2021, vol. 6, pp. 1809–1822. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03550.
10. Prikhod’ko N.G., Mansurov Z.A., Auelkhankyzy M., Lesbaev B.T., Nazhipkyzy M., Smagulova G.T. Flame synthesis of graphene layers at low pressure, Russ. J. Phys. Chem., 2015, vol. 9, pp. 743–747. https://doi.org/10.1134/S1990793115050115.
11. Song X., Ma X., Li Y., Ding L., Jiang R. Tea waste derived microporous active carbon with enhanced double-layer supercapacitor behaviors, Applied Surface Science, 2019, vol. 487, pp. 189–197. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.04.277.
12. Bhoyate S., Ranaweera C.K., Zhang C., Morey T., Hyatt M., Kahol P.K., Ghimire M., Mishra S.R., Gupta R.K. Eco-Friendly and High Performance Supercapacitors for Elevated Temperature Applications Using Recycled Tea Leaves, Global Challenges, 2017, vol. 1, 1700063. https://doi.org/10.1002/gch2.201700063.
13. Adan-Mas A., Alcaraz L., Arévalo-Cid P., López-Gómez Félix. A., Montemor F. Coffee-derived activated carbon from second biowaste for supercapacitor applications, Waste Management, 2021, vol. 120, pp. 280–289. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.11.043.
14. Li Y., Li Z., Xing B., Li H., Ma Z., Zhang W., Reubroycharoen P., Wang S. Green conversion of bamboo chips into high-performance phenol adsorbent and supercapacitor electrodes by simultaneous activation and nitrogen doping, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2021, vol. 155, 105072. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105072.
15. Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron–phonon coupling, doping and nonadiabatic effects, Solid State Communications, 2007, vol. 143, pp. 47–57. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2007.03.052.
16. Bleu Y., Bourquard F., Loir A., Barnier V., Garrelie F., Donnet C. Raman study of the substrate influence on graphene synthesis using a solid carbon source via rapid thermal annealing, J Raman Spectrosc, 2019, vol. 50, pp. 1630–1641. https://doi.org/10.1002/jrs.5683.
17. He X., Ling P., Yu M., Wang X., Zhang X., Zheng M. Rice husk-derived porous carbons with high capacitance by ZnCl2 activation for supercapacitors, Electrochimica Acta, 2013, vol. 105, pp. 635–641. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.05.050.
18. Han J., Xu G., Ding B., Pan J., Dou H., MacFarlane D.R. Porous nitrogen-doped hollow carbon spheres derived from polyaniline for high performance supercapacitors, J. Mater. Chem. A, 2014, vol. 2, pp. 5352–5357. https://doi.org/10.1039/C3TA15271E.
19. Kang W., Lin B., Huang G., Zhang C., Yao Y., Hou W., Xu B., Xing B. Peanut bran derived hierarchical porous carbon for supercapacitor, J Mater Sci: Mater Electron, 2018, vol. 29, pp. 6361–6368. https://doi.org/10.1007/s10854-018-8615-1.
20. Hao X., Wang J., Ding B., Wang Y., Chang Z., Dou H., Zhang X. Bacterial-cellulose-derived interconnected meso-microporous carbon nanofiber networks as binder-free electrodes for high-performance supercapacitors, Journal of Power Sources, 2017, vol. 352, pp. 34–41. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.088.
21. Sun J., Niu J., Liu M., Ji J., Dou M., Wang F. Biomass-derived nitrogen-doped porous carbons with tailored hierarchical porosity and high specific surface area for high energy and power density supercapacitors, Applied Surface Science, 2018, vol. 427, pp. 807–813. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.07.220.
22. Peng C., Yan X., Wang R., Lang J., Ou Y., Xue Q. Promising activated carbons derived from waste tea-leaves and their application in high performance supercapacitors electrodes, Electrochimica Acta, 2013, vol. 87, pp. 401–408. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.09.082.
23. Ratnaji T., L. John Kennedy. Hierarchical porous carbon derived from tea waste for energy storage applications: Waste to worth, Diamond & Related Materials, 2020. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.108100.
Рецензия
Дәйектеу үшін:
Дүйсенбек Ә.Н., Бейсенова Е.Е., Бейсенов Р.Е., Асқарұлы Қ., Приходько Н.Г., Туганбаев А.Б. ШАЙ ҚАЛДЫҚТАРЫНАН АЛЫНҒАН ГРАФЕН ТӘРІЗДІ КӨМІРТЕК НЕГІЗІНДЕ ЖОҒАРЫ ӨНІМДІ СУПЕРКОНДЕНСАТОР ЭЛЕКТРОДТАРЫН ДАЙЫНДАУ. Қазақстан-Британ техникалық университетінің хабаршысы. 2024;21(4):186-195. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2024-21-4-186-195
For citation:
Duisenbek A.N., Beissenova E.E., Beissenov R.E., Askaruly K., Prikhodko N.G., Tuganbaev А.B. PRODUCTION OF HIGH-PERFORMANCE SUPERCAPACITOR ELECTRODES BASED ON GRAPHENE-LIKE CARBON OBTAINED FROM TEA WASTE. Herald of the Kazakh-British technical university. 2024;21(4):186-195. (In Russ.) https://doi.org/10.55452/1998-6688-2024-21-4-186-195