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

In de zoektocht naar schonere energie zoeken wetenschappers voortdurend naar betere manieren om elektriciteit op te slaan. Een veelbelovend hulpmiddel is de supercondensator, een apparaat dat bijna onmiddellijk stroom kan opladen en ontladen, wat het ideaal maakt voor toepassingen die snelle energiebursts nodig hebben, zoals regeneratief remmen in voertuigen of het stabiliseren van het elektriciteitsnet. In tegenlijkheid met batterijen, die energie opslaan via chemische reacties die tijd kosten, slaan supercondensatoren energie op door elektrische ladingen vast te houden op het oppervlak van een materiaal. De effectiviteit van deze opslag hangt sterk af van het materiaal dat voor de elektroden wordt gebruikt. Ideaal gezien moeten deze elektroden gemaakt zijn van koolstof die zeer poreus is, waardoor er een enorm intern oppervlak ontstaat waar ladingen aan kunnen kleven, en ze moeten gemakkelijk bevochtigd kunnen worden door de vloeibare elektrolyt die de ionen vervoert. Hoewel er hoogwaardige koolstofmaterialen bestaan, zijn deze vaak duur om te produceren of vereisen ze energie-intensieve productieprocessen. Dit creëert een behoefte aan een methode die zowel kosteneffectief als milieuvriendelijk is, waarbij afval wordt omgezet in een waardevolle grondstof.

In China genereert het proces van het vergassen van steenkool om brandstofgas te produceren een enorme hoeveelheid vast afval dat bekend staat als fijne slak uit kolengasificatie. Een aanzienlijk deel van dit afval bevat onverbrande koolstof, die momenteel als een last wordt beschouwd en vaak wordt weggegooid of wordt verbrand voor laagwaardige energieterugwinning. Een team van onderzoekers aan de Inner Mongolia University of Science and Technology zag een kans in dit afval. Ze zetten zich het doel voor ogen om de resterende koolstof die in deze slak aanwezig is, te transformeren tot een hoogwaardig elektrodemateriaal voor supercondensatoren. Hun doel was om een manier te vinden om deze koolstof te activeren—eigenlijk de structuur ervan te openen om het poreuzer en chemisch actiever te maken—zonder de extreme hitte en hoge energiekosten die typerend zijn voor traditionele methoden. In plaats daarvan verkenden ze een "natte activatie"-proces dat plaatsvindt bij veel lagere temperaturen, gebruikmakend van een tweestaps chemische behandeling om het materiaal te hervormen.

De onderzoekers begonnen met het scheiden van de onverbrande koolstof uit de fijne slak. Vervolgens onderwierpen ze deze ruwe koolstof aan een specifieke sequentie van chemische behandelingen. Eerst weekten ze het materiaal in salpeterzuur. Deze stap werkte als een milde scrubbehandeling, waarbij zuurstofrijke groepen op het oppervlak van de koolstofdeeltjes werden geïntroduceerd en het materiaal ontvankelijker werd voor water en ionen. Hierna behandelden ze de met zuur gewassen koolstof met kaliumhydroxide, een sterke base, in een verzegeld vat dat werd verwarmd tot matige temperaturen. Deze tweede stap etste het materiaal verder, waardoor een netwerk van minuscule poriën ontstond en sommige van de stikstofhoudende soorten die het zuur had geïntroduceerd, werden verwijderd. Het team testte dit proces bij vier verschillende temperaturen om te zien welk hittepeil de beste resultaten opleverde. Ze experimenteerden ook met het omkeren van de volgorde van de chemicaliën, waarbij de base eerst werd toegepast en daarna het zuur, om te begrijpen hoe de volgorde van de behandeling de uiteindelijke structuur beïnvloedde.

De resultaten lieten zien dat de volgorde van handelingen en de temperatuur cruciaal waren. Het meest succesvolle materiaal werd gecreëerd door de koolstof eerst met zuur en daarna met een base te behandelen, bij een temperatuur van 150 graden Celsius. Dit specifieke monster, dat de onderzoekers RCHK-3 noemden, ontwikkelde een hoogporeuze structuur met een specifiek oppervlak van 775 vierkante meter per gram. Om deze schaal in perspectief te plaatsen: één gram van dit materiaal heeft een oppervlak dat ongeveer gelijk is aan een klein tennisveld, allemaal samengeperst in een minuscuul stofje. Nog belangrijker is dat het oppervlak van dit materiaal extreem hydrofiel werd, wat betekent dat het van water houdt. Bij testen verspreidde een druppel vloeibare elektrolyt zich bijna onmiddellijk over het oppervlak, met een contacthoek van slechts 35 graden, vergeleken met de ruwe koolstof die de vloeistof afstootte. Deze bevochtigbaarheid zorgt ervoor dat de elektrolyt gemakkelijk de diepe poriën van het materiaal kan binnendringen, waardoor ionen elke beschikbare plek voor energieopslag kunnen bereiken.

Wanneer de onderzoekers dit nieuwe materiaal in een supercondensator testten, presteerde het uitzonderlijk goed. In een standaardtest leverde het materiaal een specifieke capaciteit van 155 farad per gram, een maatstaf voor hoeveel elektrische lading het kan vasthouden. Deze prestatie was superieur aan de monsters die met de omgekeerde chemische volgorde waren gemaakt of die bij hogere of lagere temperaturen waren behandeld. Het materiaal bleek ook opmerkelijk duurzaam te zijn. Na 10.000 keer laden en ontladen behield het apparaat 99,03 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit, wat aantoont dat de structuur stabiel bleef over duizenden cycli. Wanneer het werd geassembleerd tot een volledig symmetrisch supercondensatorapparaat, bereikte het systeem een vermogensdichtheid van 270 watt per kilogram en een energiedichtheid van 6,6 wattuur per kilogram. Deze cijfers geven aan dat het een apparaat is dat energie snel kan vrijgeven en een bruikbare hoeveelheid lading kan vasthouden, terwijl het gemaakt is van een materiaal dat voorheen als industrieel afval werd beschouwd.

De studie suggereert dat deze tweestaps, laagtemperatuur natte activatie een levensvatbare strategie is voor het upgraden van koolgastificatie-afval naar een waardevol onderdeel voor energieopslag. Door de hoge temperaturen te vermijden die vaak nodig zijn om koolstof te activeren, vermindert dit proces het energieverbruik en minimaliseert het het risico op schade aan apparatuur door corrosieve chemicaliën. Het onderzoek benadrukt dat de specifieke volgorde van behandeling met zuur gevolgd door base de sleutel is tot het creëren van de juiste balans tussen porositeit en oppervlaktechemie. Hoewel de prestaties van het materiaal vergelijkbaar zijn met sommige koolstofelektroden gemaakt van biomassa, ligt het voordeel hier in de bron: het grondstofmateriaal is een bijproduct van een massaal industrieel proces dat momenteel kampt met de afvoer ervan. Dit werk biedt een duidelijk pad om een afvalproduct om te vormen tot een functioneel onderdeel voor de toekomstige energieopslag, en bewijst dat met de juiste chemische aanpak, wat ooit afval was, een essentieel onderdeel kan worden van een schoner energiesysteem.