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

Dans la quête d'une énergie plus propre, les scientifiques cherchent constamment de meilleurs moyens de stocker l'électricité. Un outil prometteur est le supercondensateur, un dispositif capable de charger et de décharger de l'énergie presque instantanément, ce qui le rend idéal pour des applications nécessitant des bouffées d'énergie rapides, comme le freinage régénératif dans les véhicules ou la stabilisation du réseau électrique. Contrairement aux batteries, qui stockent l'énergie par des réactions chimiques qui prennent du temps, les supercondensateurs stockent l'énergie en retenant des charges électriques à la surface d'un matériau. L'efficacité de ce stockage dépend fortement du matériau utilisé pour les électrodes. Idéalement, ces électrodes devraient être faites d'un carbone hautement poreux, offrant une vaste surface interne pour que les charges s'y accrochent, et elles doivent être facilement mouillables par l'électrolyte liquide qui transporte les ions. Bien que des matériaux carbonés de haute performance existent, ils sont souvent coûteux à produire ou nécessitent des processus de fabrication gourmands en énergie. Cela crée un besoin pour une méthode qui soit à la fois rentable et respectueuse de l'environnement, transformant un déchet en une ressource précieuse.

En Chine, le processus de gazéification du charbon pour produire du gaz combustible génère une quantité massive de déchets solides connus sous le nom de laitier fin de gazéification du charbon. Une partie importante de ce déchet contient du carbone non brûlé, qui est actuellement considéré comme une nuisance, souvent jeté ou brûlé pour une récupération d'énergie à faible valeur. Une équipe de chercheurs de l'Université de technologie de l'intérieur de la Mongolie a vu une opportunité dans ce déchet. Ils ont entrepris de transformer le carbone résiduel trouvé dans ce laitier en un matériau d'électrode de haute performance pour les supercondensateurs. Leur objectif était de trouver un moyen d'activer ce carbone — essentiellement en ouvrant sa structure pour le rendre plus poreux et chimiquement actif — sans utiliser la chaleur extrême et les coûts énergétiques élevés typiques des méthodes traditionnelles. Au lieu de cela, ils ont exploré un processus d'« activation humide » qui se déroule à des températures beaucoup plus basses, utilisant un traitement chimique en deux étapes pour remodeler le matériau.

Les chercheurs ont commencé par séparer le carbone non brûlé du laitier fin. Ils ont ensuite soumis ce carbone brut à une séquence spécifique de traitements chimiques. D'abord, ils ont fait tremper le matériau dans de l'acide nitrique. Cette étape a agi comme un nettoyage doux, introduisant des groupes riches en oxygène sur la surface des particules de carbone et les rendant plus réceptifs à l'eau et aux ions. Suite à cela, ils ont traité le carbone lavé à l'acide avec de l'hydroxyde de potassium, une base forte, à l'intérieur d'un récipient scellé chauffé à des températures modérées. Cette seconde étape a davantage gravé le matériau, créant un réseau de minuscules pores et éliminant certaines des espèces contenant de l'azote que l'acide avait introduites. L'équipe a testé ce processus à quatre températures différentes pour voir quel niveau de chaleur produisait les meilleurs résultats. Ils ont également expérimenté l'inversion de l'ordre des produits chimiques, en appliquant la base d'abord puis l'acide, pour comprendre comment la séquence de traitement influençait la structure finale.

Les résultats ont montré que l'ordre des opérations et la température étaient critiques. Le matériau le plus réussi a été créé en traitant le carbone avec l'acide d'abord, puis la base, à une température de 150 degrés Celsius. Cet échantillon spécifique, que les chercheurs ont nommé RCHK-3, a développé une structure hautement poreuse avec une surface spécifique de 775 mètres carrés par gramme. Pour mettre cette échelle en perspective, un seul gramme de ce matériau possède une surface équivalente à un petit court de tennis, le tout compressé dans un minuscule grain de poussière. Plus important encore, la surface de ce matériau est devenue incroyablement hydrophile, ce qui signifie qu'elle adore l'eau. Lors des tests, une goutte d'électrolyte liquide s'est étalée sur la surface presque instantanément, avec un angle de contact de seulement 35 degrés, contre le carbone brut qui repoussait le liquide. Cette mouillabilité garantit que l'électrolyte peut pénétrer facilement dans les pores profonds du matériau, permettant aux ions d'atteindre chaque espace disponible pour le stockage de l'énergie.

Lorsque les chercheurs ont testé ce nouveau matériau dans un supercondensateur, il a obtenu des performances exceptionnelles. Dans un test standard, le matériau a délivré une capacité spécifique de 155 farads par gramme, une mesure de la quantité de charge électrique qu'il peut contenir. Cette performance était supérieure aux échantillons fabriqués avec l'ordre chimique inversé ou ceux traités à des températures plus hautes ou plus basses. Le matériau s'est également révélé remarquablement durable. Après avoir été chargé et déchargé 10 000 fois, le dispositif a conservé 99,03 % de sa capacité initiale, démontrant que la structure est restée stable sur des milliers de cycles. Lorsqu'il a été assemblé en un dispositif de supercondensateur symétrique complet, le système a atteint une densité de puissance de 270 watts par kilogramme et une densité d'énergie de 6,6 watt-heures par kilogramme. Ces chiffres indiquent un dispositif capable de libérer l'énergie rapidement et de conserver une quantité utile de charge, tout en étant fabriqué à partir d'un matériau qui était auparavant considéré comme un déchet industriel.

L'étude suggère que cette activation humide à deux étapes et à basse température est une stratégie viable pour valoriser les déchets de gazéification du charbon en un composant de stockage d'énergie précieux. En évitant les hautes températures souvent requises pour activer le carbone, le processus réduit la consommation d'énergie et minimise le risque d'endommager les équipements avec des produits chimiques corrosifs. La recherche souligne que la séquence spécifique du traitement acide suivi d'un traitement basique est la clé pour créer le bon équilibre entre les pores et la chimie de surface. Bien que la performance du matériau soit comparable à celle de certains électrodes de carbone fabriquées à partir de biomasse, l'avantage réside ici dans la source : la matière première est un sous-produit d'un processus industriel massif qui lutte actuellement avec son élimination. Ce travail offre une voie claire pour transformer un produit de déchet en un composant fonctionnel pour le futur du stockage d'énergie, prouvant qu'avec la bonne approche chimique, ce qui était autrefois un déchet peut devenir une partie vitale d'un système énergétique plus propre.