Study on Two-Step and Low-Temperature Wet Activation of Residual Carbon Derived from Coal Gasification Fine Slag and Its Electrochemical Performance for Supercapacitor

في السعي وراء طاقة أنظف، يبحث العلماء باستمرار عن طرق أفضل لتخزين الكهرباء. ومن الأدوات الواعدة في هذا المجال هي المكثفات الفائقة (supercapacitors)، وهي أجهزة يمكنها شحن وتفريغ الطاقة بشكل فوري تقريبًا، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من الطاقة، مثل الكبح المتجدد في المركبات أو استقرار الشبكة الكهربائية. وخلافًا للبطاريات، التي تخزن الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية تستغرق وقتًا، تقوم المكثفات الفائقة بتخزين الطاقة عن طريق حجز الشحنات الكهربائية على سطح مادة ما. ويعتمد فعالية هذا التخزين بشكل كبير على المادة المستخدمة في الأقطاب الكهربائية؛ فمن الناسب أن تكون هذه الأقطاب مصنوعة من كربون عالي المسامية، مما يوفر مساحة سطح داخلية شاسعة لتلتصق بها الشحنات، ويجب أن تكون سهلة الترطيب بواسطة الإلكتروليت السائل الذي يحمل الأيونات. وبينما توجد مواد كربونية عالية الأداء، إلا أنها غالبًا ما تكون باهظة الثمن في الإنتاج أو تتطلب عمليات تصنيع كثيفة استهلاك الطاقة. وهذا يخلق حاجة إلى طريقة تكون فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة في آن واحد، عبر تحويل النفايات إلى مورد قيم.

في الصين، تولد عملية تغويز الفحم لإنتاج غاز الوقود كمية هائلة من النفايات الصلبة المعروفة باسم خبث تغويز الفحم الدقيق. ويحتوي جزء كبير من هذه النفايات على كربون غير محترق، والذي يُعامل حاليًا كعبء، وغالبًا ما يتم التخلص منه أو حرقه لاستعادة الطاقة ذات القيمة المنخفضة. وقد رأى فريق من الباحثين في جامعة منغوليا الداخلية للعلوم والتكنولوجيا فرصة في هذه النفايات؛ حيث سعوا لتحويل الكربون المتبقي الموجود في هذا الخبث إلى مادة قطب كهربائي عالية الأداء للمكثفات الفائقة. كان هدفهم هو إيجاد طريقة لتنشيط هذا الكربون — أي فتح بنيته لجعله أكثر مسامية ونشاطًا كيميائيًا — دون استخدام الحرارة العالية وتكاليف الطاقة المرتفعة المعتادة في الطرق التقليدية. وبدلاً من ذلك، استكشفوا عملية "تنشيط رطب" تتم في درجات حرارة أقل بكثير، باستخدام معالجة كيميائية مكونة من خطوتين لإعادة تشكيل المادة.

بدأ الباحثون بفصل الكربون غير المحترق من الخبث الدقيق، ثم أخضعوا هذا الكربون الخام لتسلسل محدد من المعالجات الكيميائية. أولاً، قاموا بنقع المادة في حمض النيتريك؛ حيث عملت هذه الخطوة كعملية تنظيف لطيفة، مما أدى إلى إدخال مجموعات غنية بالأكسجين على سطح جزيئات الكربون وجعلها أكثر تقبلًا للماء والأيونات. بعد ذلك، عالجوا الكربون المغسول بالحمض بهيدروكسيد البوتاسيوم، وهو قاعدة قوية، داخل وعاء مغلق مسخن إلى درجات حرارة معتدلة. هذه الخطوة الثانية قامت بنحت المادة بشكل أكبر، مما خلق شبكة من المسام الصغيرة وأزال بعض الأنواع المحتوية على النيتروجين التي أدخلها الحمض. اختبر الفريق هذه العملية عند أربع درجات حرارة مختلفة لمعرفة أي مستوى حراري سينتج أفضل النتائج، كما جربوا عكس ترتيب المواد الكيميائية، عبر تطبيق القاعدة أولاً ثم الحمض، لفهم كيف تؤثر تسلسلات المعالجة على البنية النهائية.

أظهرت النتائج أن ترتيب العمليات ودرجة الحرارة كانا أمرين حاسمين. فقد تم إنتاج المادة الأكثر نجاحًا عن طريق معالجة الكربون بالحمض أولاً، ثم القاعدة، عند درجة حرارة 150 درجة مئوية. هذه العينة تحديدًا، التي أطلق عليها الباحثون اسم RCHK-3، طورت بنية عالية المسامية بمساحة سطح نوعية بلغت 775 مترًا مربعًا لكل جرام. ولتوضيح هذا المقياس، فإن جرامًا واحدًا من هذه المادة يمتلك مساحة سطح تعادل تقريبًا ملعب تنس صغير، وكل ذلك محشور داخل ذرة غبار ضئيلة. والأهم من ذلك، أصبح سطح هذه المادة محبًا للماء بشكل مذهف (hydrophilic)، بمعنى أنها تعشق الماء. وعند اختبارها، انتشرت قطرة من الإلكتروليت السائل عبر السطح بشكل فوري تقريبًا، بزاوية تلامس بلغت 35 درجة فقط، مقارنة بالكربون الخام الذي كان ينفر السائل. تضمن هذه القدرة على الترطيب قدرة الإلكتروليت على التغلغل بسهما في المسام العميقة للمادة، مما يسمح للأيونات بالوصول إلى كل مكان متاح لتخزين الطاقة.

وعندما اختبر الباحثون هذه المادة الجديدة في مكثف فائق، كان أداؤها ممتازًا للغاية. ففي اختبار قياسي، قدمت المادة سعة نوعية بلغت 155 فاراد لكل جرام، وهو مقياس لكمية الشحنة الكهربائية التي يمكنها حملها. كان هذا الأداء متفوقًا على العينات التي صُنعت بترتيب كيميائي معكوس أو تلك التي عولجت في درجات حرارة أعلى أو أقل. كما أثبتت المادة أنها متينة بشكل ملحوظ؛ فبعد شحنها وتفريغها 10,000 مرة، احتفظ الجهاز بنسبة 99.03 بالمائة من سعته الأصلية، مما يدل على أن البنية ظلت مستقرة عبر آلاف الدورات. وعند تجميعها في جهاز مكثف فائق متماثل كامل، حقق النظام كثافة قدرة بلغت 270 واط لكل كيلوغرام وكثافة طاقة بلغت 6.6 واط-ساعة لكل كيلوغرام. تشير هذه الأرقام إلى جهاز يمكنه إطلاق الطاقة بسرعة والاحتفاظ بكمية مفيدة من الشحن، كل ذلك أثناء كونه مصنوعًا من مادة كانت تُعتبر سابقًا نفايات صناعية.

تشير الدراسة إلى أن عملية التنشيط الرطب هذه المكونة من خطوتين ومنخفضة الحرارة تعد استراتيجية قابلة للتطبيق لرفع قيمة نفايات تغويز الفحم وتحويلها إلى مكون مهم لتخزين الطاقة. ومن خلال تجنب درجات الحرارة العالية التي غالبًا ما تتطلبها عملية تنشيط الكربون، تقلل هذه العملية من استهلاك الطاقة وتحد من مخاطر تلف المعدات بسبب المواد الكيميائية المسببة للتآكل. يسلط البحث الضوء على أن التسلسل المحدد للمعالجة بالحامض متبوعًا بالقاعدة هو المفتاح لخلق التوازن الصحيح بين المسام وكيمياء السطح. وبينما يقارب أداء المادة بعض أقطاب الكربون المصنوعة من الكتلة الحيوية، فإن الميزة هنا تكمن في المصدر: المادة الخام هي ناتج ثانوي لعملية صناعية ضخمة تعاني حاليًا من مشاكل في التخلص منها. يقدم هذا العمل مسارًا واضحًا لتحويل منتج نفايات إلى مكون وظيفي لمستقبل تخزين الطاقة، مما يثبت أنه مع النهج الكيميائي الصحيح، يمكن لما كان يعتبر سابقًا نفايات أن يصبح جزءًا حيويًا من نظام طاقة أنظف.