Sargassum 유래 활성탄의 기공 구조 조절 및 슈퍼커패시터에의 응용에 관한 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10106(2022) 이 기사 인용

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활성탄의 기공 구조의 효과적인 조절을 실현하고 전극 재료로서의 기공 구조 특성을 최적화하기 위해 활성화 온도, 활성화 시간 및 함침 비율이 활성화된 활성탄의 비표면적, 전체 기공 부피 및 평균 기공 직경에 미치는 영향 Sargassum에 의해 제조된 탄소는 직교 실험을 통해 연구됩니다. 또한, Sargassum 기반 활성탄(SAC)의 전기화학적 특성과 SAC의 중량 정전 용량과 비표면적 간의 관계도 연구됩니다. 모든 조건에서 제조된 SAC는 높은 비표면적(≥ 2227 m2 g−1)을 가지며 기공 구조가 발달하여 미세 기공의 기공 직경은 주로 0.4~0.8 nm에 집중되어 있고, 메조 기공의 기공 직경은 주로 3~4 nm에 집중되어 있습니다. nm이고, 마이크로기공의 수가 메조기공보다 훨씬 많습니다. 활성화 과정에서 함침율은 SAC의 비표면적에 가장 큰 영향을 미치며, 활성화 온도와 함침율은 SAC의 전체 기공 부피에 큰 영향을 미치며 SAC의 평균 기공 직경의 조절이 주로 실현됩니다. 활성화 온도를 조정하여. SAC는 슈퍼커패시터에서 전형적인 전기 이중층 커패시턴스 성능을 나타내며, 전류 밀도 0.5 A g−1에서 6 mol L−1 KOH 전해질 시스템에서 237.3 F g−1의 우수한 중량 커패시턴스와 92%의 커패시턴스 유지율의 우수한 사이클링 안정성을 제공합니다. 10,000주기 후. 중량 정전 용량과 SAC의 비표면적 사이에 좋은 선형 관계가 관찰됩니다.

석탄, 석유, 천연가스 등 전통적인 화석연료 소비의 지속적인 증가로 인해 점점 더 심각한 에너지 위기와 환경 오염이 발생하고 있으며, 이로 인해 재생 가능한 청정에너지에 대한 세계적 수요가 더욱 심화되고 있습니다1,2,3. 최근 태양에너지, 풍력에너지, 해양에너지 등 재생가능 청정에너지의 활용이 급속히 발전하고 있다. 간헐성과 불안정성을 포함한 이러한 재생 가능 에너지원의 단점은 적용을 크게 제한합니다. 이러한 재생 가능한 청정에너지원에서 생산된 전기를 최대한 활용하려면 효율적인 에너지 저장 시스템을 구축해야 합니다4. 유망한 에너지 저장 장치인 리튬 또는 기타 금속 이온 배터리, 연료 전지 및 슈퍼커패시터는 많은 관심을 끌었으며 놀라운 연구 성과를 얻었습니다5,6,7,8. 에너지 저장 메커니즘에 따라 슈퍼커패시터는 의사 커패시터와 전기 이중층 커패시터(EDLC)3,9로 구분됩니다. EDLC는 정전기 에너지 저장 메커니즘으로 인해 고전력 애플리케이션에서 가장 경쟁력 있는 것으로 간주됩니다. 또한 빠른 충전 및 방전 속도, 긴 사이클 수명, 가벼운 무게, 광범위한 서비스 온도 및 환경 친화성을 특징으로 합니다10,11,12. EDLC의 전기화학적 성능은 주로 전극 재료에 의해 결정되므로 일반적으로 EDLC의 전기화학적 성능을 크게 향상시키기 위해 새로운 전극 재료를 탐색하고 기공 구조 특성을 포함한 전극 재료 특성을 개선하는 것이 선택됩니다.

전기 이중층의 에너지 저장 메커니즘에 따르면, EDLC의 전기 용량은 분극 전극의 전기 이중층에 축적된 전하에 따라 달라집니다. 전극 재료의 저장 전하는 주로 전극과 전해질 사이의 계면에서 발생합니다. EDLC가 더 많은 전하를 저장할 수 있도록 전극 재료는 접근 가능한 전해질 이온의 매우 넓은 표면적을 보유해야 합니다. 활성탄, 그래핀, 탄소 나노튜브 및 탄소 에어로겔과 같은 높은 비표면적을 갖는 탄소 기반 재료는 EDLC용 전극 재료의 주요 선택 대상이 되었습니다. 그중 활성탄은 풍부한 원료, 성숙한 준비 방법, 저렴한 비용 및 무독성으로 인해 EDLC에 가장 널리 사용되는 전극 재료가 되었습니다.