From Hard Carbon to Activated Carbon: Influence of Surface Area and Pore Structure on the Electrochemical Performance of Coconut Rachis-Derived Supercapacitor Electrodes

في العالم الحديث، ينمو الطلب على الطاقة بشكل أسرع من قدرتنا على توليدها بشكل نظيف. وبينما توفر الألواح الشمسية وتوربينات الرياح مساراً بعيداً عن الوقود الأحفوري، إلا أنها تعاني من خلل جوهري: فالشمس لا تشرق دائماً، والرياح لا تهب دائماً. ولتجسير هذه الفجوات، نحتاج إلى أجهزة يمكنها تخزين الكهرباء بسرعة وإطلاقها بنفس السرعة. تُعد البطاريات ممتازة في الاحتفاظ بكميات كبيرة من الطاقة، لكنها غالباً ما تكون بطيئة في الشحن وتواجه صعوبة في التعامل مع دفعات الطاقة المكثفة المطلوبة لأشياء مثل المركبات الكهربائية أو استقرار الشبكة الكهربائية. وهنا يأتي دور المكثفات الفائقة. فخلافاً للبطاريات، التي تخزن الطاقة من خلال التفاعلات الكيميائية، تقوم المكثفات الفائقة بتخزين الطاقة فيزيائياً عن طريق تجميع الشحنات الكهربائية على سطح مادة ما. وهذا يسمح لها بالشحن والتفريغ في ثوانٍ بدلاً من ساعات، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب تسليم طاقة سريع. ومع ذلك، لجعل هذه الأجهزة فعالة، يجب على العلماء إيجاد مواد ذات مساحات سطحية شاسعة حيث يمكن لهذه الشحنات أن تتراكم، مع ضمان امتلاك المادة أيضاً لهيكل يسمح للأيونات بالتحرك من خلالها بحرية.

لقد سعى فريق من الباحثين في جامعة "أمريتا فيشوا فيديبيثام" في الهند وجامعة "مينغ تشي" للتكنولوجيا في تايوان لحل هذه المشكلة عن طريق تحويل منتج شائع من النفايات الزراعية إلى مادة عالية الأداء لتخزين الطاقة. لقد ركزوا على "عنيق جوز الهند" (coconut rachis)، وهو الساق الليفي القوي الذي يمسك ثمرة جوز الهند معاً. وبدلاً من التخلص من هذه الكتلة الحيوية، قام الفريق بتحويلها إلى نوعين مختلفين من الكربون: كربون صلب وكثيف، وكربون منشط عالي المسامية. كان هدفهم هو فهم كيف يؤثر تغيير البنية الفيزيائية لهذه المادة على قدرتها على تخزين الطاقة. ومن خلال مقارنة الشكلين، سعوا لإثبات أن مجرد وجود الكربون ليس كافياً؛ بل إن ترتيب مسامه وحجم مساحة سطحه هما العاملان الحسمان في مدى جودة عمل المكثف الفائق.

بدأ الباحثون بتنظيف وتجفيف عنيق جوز الهند، ثم تسخينه في بيئة محكومة لحرق الغازات المتطايرة وترك هيكل كربوني صلب خلفها. هذه العملية الأولية خلقت ما يسمونه "الكربون الصلب" (hard carbon). وعندما فحصوا هذه المادة تحت المجهر، ظهرت ككتلة متراصة وغير منتظمة ذات سطح خشن. ورغم أنها احتوت على بعض الثقوب الصغيرة، إلا أن البنية كانت كثيفة إلى حد كبير، مما يعني أن المسارات المتاحة لانتقال الأيونات الكهربائية كانت محدودة. ولقياس إمكاناتها، اختبروا هذا الكربون الصلب في بيئة مختبرية باستخدام إعداد ثلاثي الأقطاب، والذي يعمل مثل ميزان دقيق لقياس السعة الكهربائية. ووجدوا أن الكربون الصلب لديه مساحة سطح نوعية تبلغ 32 متراً مربعاً لكل جرام فقط. ومن الناحية العملية، كان هذا يعني أن جزءاً ضئيلاً جداً من المادة متاح بالفعل لحمل شحنة كهربائية، مما أدى إلى أداء ضعيف.

ولتحسين ذلك، أخضع الفريق الكربون الصلب لعملية تسمى "التنشيط الكيميائي". فقد خلطوا الكربون مع هيدروكسيد البوتاسيوم، وهو عامل كيميائي، وسخنوه إلى درجة حرارة عالية. عملت هذه العملية مثل النحات، حيث قامت بنحت أجزاء من مصفوفة الكربون الكثيفة لإنشاء شبكة معقدة ومترابطة من الثقوب الصغيرة. وكانت النتيجة مادة جديدة تُعرف باسم "الكربون المنشط". كان التحول دراماتيكياً؛ فقد انفجرت المساحة السطحية النوعية لهذه المادة الجديدة لتصل إلى حوالي 1,025 متراً مربعاً لكل جرام، وهي زيادة تزيد عن ثلاثين ضعفاً. وأظهرت الصور المجهرية أن البنية التي كانت كثيفة ذات يوم قد أصبحت إطاراً هرمياً مسامياً، مليئاً بالقنوات التي تسمح لأيونات الإلكتروليت بالتدفق بعمق داخل المادة. هذا التغيير الهيكلي يعني أن المادة باتت توفر الآن عدداً هائلاً من المواقع النشطة حيث يمكن تخزين الشحنات الكهربائية.

بعد ذلك، وضع الفريق كلا المادتين للاختبار في سلسلة من "الإلكتروليتات"، وهي محاليل سائلة تحمل الأيونات الكهربائية. وقد استخدموا ثلاثة محاليل قلوية مختلفة: هيدروكسيد البوتاسيوم، وهيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد الليثيوم. وفي كل حالة، تفوق الكربون المنشط على الكربون الصلب بفارق كبير. فعند اختباره في محلول هيدروكسيد البوتاسيوم، حقق الكربون المنشط سعة نوعية بلغت 201 فاراد لكل جرام، بينما تمكن الكربون الصلب من تحقيق 60 فاراد فقط لكل جرام. وأوضح الباحثون أن الأداء المتفوق يعود إلى الجمع بين المساحة السطحية العالية للمادة والحجم الصغير لأيونات البوتاسيوم، والتي استطاعت التنقل بسهولة عبر شبكة المسام المعقدة للوصة إلى مواقع التخزين. وفي المقابل، واجهت أيونات الصوديوم والليثيوم الأكبر حجماً صعوبة في التحرك بحرية، مما أدى إلى أداء أقل، رغم أن الكربون المنشط ظل يحتفظ بميزة واضحة على الكربون الصلب في تلك المحاليل أيضاً.

ولضمان أن هذه النتائج ليست مجرد فضول مختبري، قام الباحثون ببناء جهاز مكثف فائق كامل باستخدام الكربون المنشط كأقطاب موجبة وسالبة. وملأوا الجهاز بمحلول هيدروكسيد البوتاسيوم وأجروا عليه آلاف دورات الشحن والتفريغ. وأثبت الجهاز استقراراً ملحوظاً، حيث احتفظ بنحو 93 بالمائة من سعته الأولية بعد 2,000 دورة. وتعد هذه المتانة أمراً بالغ الأهمية للتطبيقات في العالم الحقيقي، حيث تشير إلى أن المادة يمكنها تحمل الاستخدام المتكرر دون تدهور. كما أظهر الجهاز كثافة طاقة عالية، قادرة على تقديم الطاقة بسرعة، وكثافة طاقة بلغت 2.41 واط-ساعة لكل كيلوغرام. وتؤكد هذه النتائج أن عملية التنشيط الكيميائي نجحت في تحويل منتج زراعي منخفض القيمة إلى مادة متطورة لتخزين الطاقة.

تخلص الدراسة إلى أن المفتاح لإطلاق إمكانات الكربون المستخلص من الكتلة الحيوية يكمن في هندسة بنيته الداخلية. فمجرد كربنة المواد النباتية ليس كافياً؛ بل يجب معالجة المادة كيميائياً لإنشاء بنية مسامية تعظم المساحة السطحية وتسهل انتقال الأيونات. ومن خلال تحويل الكربون الصلب الكثيف إلى كربون منشط عالي المسامية، أثبت الباحثون أن الشكل الفيزيائي للقطب لا يقل أهمية عن التركيب الكيميائي. ويوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لتطوير مكثفات فائقة مستدامة وعالية الأداء، يمكنها يوماً ما المساعدة في تخزين الطاقة المتجددة بكفاءة أكبر، وتحويل ساق جوز هند شائعة إلى مكون حيوي لمستقبل طاقة أكثر اخضراراً.