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

Nella ricerca di un'energia più pulita, gli scienziati cercano costantemente modi migliori per immagazzinare l'elettricità. Uno strumento promettente è il supercondensatore, un dispositivo che può caricare e scaricare energia quasi istantaneamente, rendendolo ideale per applicazioni che richiedono rapidi impulsi di energia, come la frenata rigenerativa nei veicoli o la stabilizzazione della rete elettrica. A differenza delle batterie, che immagazzinano l'energia attraverso reazioni chimiche che richiedono tempo, i supercondensatori immagazzinano l'energia trattenendo le cariche elettriche sulla superficie di un materiale. L'efficacia di questo stoccaggio dipende fortemente dal materiale utilizzato per gli elettrodi. Idealmente, questi elettrodi dovrebbero essere realizzati in carbonio altamente poroso, che offra una vasta superficie interna a cui le cariche possano aggrapparsi, e devono essere facilmente bagnati dall'elettrolita liquido che trasporta gli ioni. Sebbene esistano materiali di carbonio ad alte prestazioni, essi sono spesso costosi da produrre o richiedono processi di produzione ad alto consumo energetico. Ciò crea la necessità di un metodo che sia allo stesso tempo conveniente e rispettoso dell'ambiente, trasformando un rifiuto in una risorsa preziosa.

In Cina, il processo di gassificazione del carbone per produrre gas combustibile genera una enorme quantità di rifiuti solidi noti come scoria di gassificazione del carbone. Una parte significativa di questo rifiuto contiene carbonio non bruciato, che attualmente viene trattato come un disturbo, spesso scartato o bruciato per un recupero energetico di basso valore. Un team di ricercatori della Università della Scienza e della Tecnologia della Mongolia Interna ha visto un'opportunità in questo scarto. Si sono posti l'obiettivo di trasformare il carbonio residuo presente in questa scoria in un materiale elettrodico ad alte prestazioni per supercondensatori. Il loro obiettivo era trovare un modo per attivare questo carbonio — essenzialmente aprendo la sua struttura per renderlo più poroso e chimicamente attivo — senza utilizzare il calore estremo e gli elevati costi energetici tipici dei metodi tradizionali. Invece, hanno esplorato un processo di "attivazione a umido" che avviene a temperature molto più basse, utilizzando un trattamento chimico in due fasi per rimodellare il materiale.

I ricercatori hanno iniziato separando il carbonio non bruciato dalla scoria fine. Hanno poi sottoposto il carbonio grezzo a una specifica sequenza di trattamenti chimici. Per prima cosa, hanno immerso il materiale in acido nitrico. Questo passaggio ha agito come uno scrub delicato, introducendo gruppi ricchi di ossigeno sulla superficie delle particelle di carbonio e rendendole più ricettive all'acqua e agli ioni. In seguito, hanno trattato il carbonio lavato con acido con idrossido di potassio, una base forte, all'interno di un contenitore sigillato riscaldato a temperature moderate. Questo secondo passaggio ha ulteriormente inciso il materiale, creando una rete di minuscoli pori e rimuovendo alcune delle specie contenenti azoto che l'acido aveva introdotto. Il team ha testato questo processo a quattro diverse temperature per vedere quale livello di calore producesse i risultati migliori. Hanno anche sperimentato l'inversione dell'ordine dei prodotti chimici, applicando prima la base e poi l'acido, per capire come la sequenza del trattamento influenzasse la struttura finale.

I risultati hanno mostrato che l'ordine delle operazioni e la temperatura erano critici. Il materiale di maggior successo è stato creato trattando il carbonio prima con l'acido, poi con la base, a una temperatura di 150 gradi Celsius. Questo campione specifico, che i ricercatori hanno chiamato RCHK-3, ha sviluppato una struttura altamente porosa con una superficie specifica di 775 metri quadrati per grammo. Per mettere questa scala in prospettiva, un singolo grammo di questo materiale ha una superficie approssimativamente equivalente a un piccolo campo da tennis, tutto racchiuso in un minuscolo granello di polvere. Ancora più importante, la superficie di questo materiale è diventata incredibilmente idrofila, il che significa che ama l'acqua. Quando testata, una goccia di elettrolita liquido si è diffusa sulla superficie quasi istantaneamente, con un angolo di contatto di soli 35 gradi, rispetto al carbonio grezzo che respingeva il liquido. Questa bagnabilità assicura che l'elettrolita possa penetrare facilmente nei pori profondi del materiale, permettendo agli ioni di raggiungere ogni spazio disponibile per l'immagazzinamento dell'energia.

Quando i ricercatori hanno testato questo nuovo materiale in un supercondensatore, esso ha performato eccezionalmente bene. In un test standard, il materiale ha fornito una capacità specifica di 155 farad per grammo, una misura di quanta carica elettrica può contenere. Questa prestazione era superiore ai campioni realizzati con l'ordine chimico invertito e a quelli trattati a temperature più alte o più basse. Il materiale si è dimostrato anche notevolmente durevole. Dopo essere stato caricato e scaricato 10.000 volte, il dispositivo ha mantenuto il 99,03 percento della sua capacità originale, dimostrando che la struttura è rimasta stabile per migliaia di cicli. Una volta assemblato in un dispositivo supercondensatore simmetrico completo, il sistema ha raggiunto una densità di potenza di 270 watt per chilogrammo e una densità di energia di 6,6 watt-ora per chilogrammo. Queste cifre indicano un dispositivo in grado di rilasciare energia rapidamente e trattenere una quantità utile di carica, il tutto essendo realizzato con un materiale che prima era considerato un rifiuto industriale.

Lo studio suggerisce che questo processo di attivazione a umido in due fasi a bassa temperatura è una strategia praticabile per valorizzare i rifiuti di gassificazione del carbone in un componente prezioso per l'immagazzinamento dell'energia. Evitando le alte temperature spesso richieste per attivare il carbonio, il processo riduce il consumo energetico e minimizza il rischio di danneggiare le apparecchiature con sostanze chimiche corrosive. La ricerca evidenzia come la specifica sequenza di trattamento acido seguito da base sia la chiave per creare il giusto equilibrio tra pori e chimica superficiale. Sebbene le prestazioni del materiale siano paragonabili ad alcuni elettrodi di carbonio realizzati da biomassa, il vantaggio qui risiede nella fonte: la materia prima è un sottoprodotto di un massiccio processo industriale che attualmente fatica con lo smaltimento. Questo lavoro fornisce un percorso chiaro per trasformare un prodotto di scarto in un componente funzionale per il futuro dell'immagazzinamento dell'energia, dimostrando che con il giusto approccio chimico, ciò che un tempo era spazzatura può diventare una parte vitale di un sistema energetico più pulito.