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

Auf der Suche nach sauberer Energie suchen Wissenschaftler ständig nach besseren Wegen, Elektrizität zu speichern. Ein vielversprechendes Werkzeug ist der Superkondensator, ein Gerät, das Leistung fast augenblicklich laden und entladen kann, was ihn ideal für Anwendungen macht, die schnelle Energiespitzen benötigen, wie etwa das regenerative Bremsen in Fahrzeugen oder die Stabilisierung des Stromnetzes. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie durch chemische Reaktionen speichern, die Zeit benötigen, speichern Superkondensatoren Energie, indem sie elektrische Ladungen auf der Oberfläche eines Materials halten. Die Effektivität dieser Speicherung hängt stark von dem verwendeten Material für die Elektroden ab. Idealerweise sollten diese Elektroden aus einem Kohlenstoff bestehen, der hochporös ist und eine riesige interne Oberfläche bietet, an der Ladungen haften können, und sie müssen leicht durch das flüssige Elektrolyt, das die Ionen trägt, benetzbar sein. Zwar existieren Hochleistungs-Kohlenstoffmaterialien, doch sind diese oft teuer in der Herstellung oder erfordern energieintensive Fertigungsprozesse. Dies schafft einen Bedarf nach einer Methode, die sowohl kostengünstig als auch umweltfreundlich ist und Abfall in eine wertvolle Ressource verwandelt.

In China erzeugt der Prozess der Vergasung von Kohle zur Gewinnung von Gasbrennstoffen eine enorme Menge an festem Abfall, der als Kohlevergasungsschlacke bekannt ist. Ein erheblicher Teil dieses Abfalls enthält unverbrannten Kohlenstoff, der derzeit als Belastung betrachtet wird und oft entsorgt oder zur minderwertigen Energierückgewinnung verbrannt wird. Ein Forscherteam der Inner Mongolia University of Science and Technology sah in diesem Abfall eine Chance. Sie setzten sich zum Ziel, den in dieser Schlacke verbleibenden Kohlenstoff in ein Hochleistungselektrodenmaterial für Superkondensatoren zu verwandelt. Ihr Ziel war es, einen Weg zu finden, diesen Kohlenstoff zu aktivieren – im Wesentlichen seine Struktur zu öffnen, um ihn poröser und chemisch aktiver zu machen – ohne die extremen Temperaturen und hohen Energiekosten zu nutzen, die für traditionelle Methoden typisch sind. Stattdessen untersuchten sie einen „Nassaktivierungsprozess“, der bei viel niedrigeren Temperaturen stattfindet und eine zweistufige chemische Behandlung nutzt, um das Material umzugestalten.

Die Forscher begannen damit, den unverbrannten Kohlenstoff aus der feinen Schlacke zu trennen. Anschließend unterzogen sie den rohen Kohlenstoff einer spezifischen Abfolge chemischer Behandlungen. Zuerst weichten sie das Material in Salpetersäure ein. Dieser Schritt wirkte wie eine sanfte Reinigung, die sauerstoffreiche Gruppen auf die Oberfläche der Kohlenstoffpartikel einführte und sie empfänglicher für Wasser und Ionen machte. Im Anschluss daran behandelten sie den mit Säure gewaschenen Kohlenstoff mit Kaliumhydroxid, einer starken Base, in einem versiegelten Gefäß, das auf moderaten Temperaturen erhitzt wurde. Dieser zweite Schritt ätzte das Material weiter aus, schuf ein Netzwerk winziger Poren und entfernte einige der stickstoffhaltigen Spezies, die die Säure eingeführt hatte. Das Team testete diesen Prozess bei vier verschiedenen Temperaturen, um zu sehen, welches Temperaturniveau die besten Ergebnisse lieferte. Sie experimentierten auch mit der Umkehrung der Reihenfolge der Chemikalien, indem sie zuerst die Base und dann die Säure anwandten, um zu verstehen, wie die Abfolge der Behandlung die endgültige Struktur beeinflusste.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Reihenfolge der Abläufe und die Temperatur entscheidend waren. Das erfolgreichste Material wurde erzeugt, indem der Kohlenstoff zuerst mit Säure und dann mit einer Base behandelt wurde, bei einer Temperatur von 150 Grad Celsius. Diese spezifische Probe, die die Forscher als RCHK-3 bezeichneten, entwickelte eine hochporöse Struktur mit einer spezifischen Oberfläche von 775 Quadratmetern pro Gramm. Um diese Größenordnung zu verdeutlichen: Ein einziges Gramm dieses Materials besitzt eine Oberfläche, die in etwa der eines kleinen Tennisplatzes entspricht, alles gepackt in einem winzigen Staubkorn. Noch wichtiger ist, dass die Oberfläche dieses Materials unglaublich hydrophil wurde, was bedeutet, dass es Wasser liebt. Bei Tests breitete sich ein Tropfen flüssigen Elektrolyten fast augenblicklich über die Oberfläche aus, mit einem Kontaktwinkel von nur 35 Grad, verglichen mit dem Rohkohlenstoff, der die Flüssigkeit abstieß. Diese Benetzbarkeit stellt sicher, dass der Elektrolyt leicht in die tiefen Poren des Materials eindringen kann, sodass Ionen jeden verfügbaren Ort für die Energiespeicherung erreichen können.

Als die Forscher dieses neue Material in einem Superkondensator testeten, schnitt es außergewöhnlich gut ab. In einem Standardtest lieferte das Material eine spezifische Kapazität von 155 Farad pro Gramm, ein Maß dafür, wie viel elektrische Ladung es halten kann. Diese Leistung war besser als die der Proben mit umgekehrter chemischer Reihenfolge oder jener, die bei höheren oder niedrigeren Temperaturen behandelt wurden. Das Material erwies sich auch als bemerkenswert langlebig. Nach 10.000 Lade- und Entladezyklen behielt das Gerät 99,03 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität bei, was zeigt, dass die Struktur über tausende von Zyklen hinweg stabil blieb. Wenn es in ein vollständiges symmetrisches Superkondensator-Gerät eingebaut wurde, erreichte das System eine Leistungsdichte von 270 Watt pro Kilogramm und eine Energiedichte von 6,6 Wattstunden pro Kilogramm. Diese Zahlen deuten auf ein Gerät hin, das Energie schnell freisetzen und eine nützliche Menge Ladung halten kann, während es gleichzeitig aus einem Material besteht, das zuvor als industrieller Abfall galt.

Die Studie legt nahe, dass diese zweistufige Niedrigtemperatur-Nassaktivierung eine praktikable Strategie ist, um Kohlevergasungsabfälle in eine wertvolle Energiespeicherkomponente aufzuwerten. Durch die Vermeidung der hohen Temperaturen, die oft zur Aktivierung von Kohlenstoff erforderlich sind, reduziert der Prozess den Energieverbrauch und minimt das Risiko, Ausrüstung durch korrosive Chemikalien zu beschädigen. Die Forschung hebt hervor, dass die spezifische Sequenz der Behandlung mit Säure gefolgt von einer Base der Schlüssel zur Schaffung des richtigen Gleichgewichts zwischen Poren und Oberflächenchemie ist. Während die Leistung des Materials mit einigen aus Biomasse hergestellten Kohlenstoffelektroden vergleichbar ist, liegt der Vorteil hier in der Quelle: Das Rohmaterial ist ein Nebenprodukt eines massiven industriellen Prozesses, der derzeit vor Herausforderungen bei der Entsorgung steht. Diese Arbeit bietet einen klaren Weg, um ein Abfallprodukt in eine funktionale Komponente für die Energiespeicherung der Zukunft zu verwandeln, und beweist, dass mit dem richtigen chemischen Ansatz aus dem, was einst Müll war, ein wesentlicher Bestandteil eines saubereren Energiesystems werden kann.