Fabrication in situ de charbon actif à partir d'un biodéchet Desmostachya bipinnata pour l'amélioration des performances du supercondensateur

Introduction

Ces dernières années, une grande attention a été accordée au développement de modèles prometteurs de stockage d'énergie durable qui incluent des dispositifs de conversion et de stockage à la poursuite des exigences énergétiques mondiales [1,2,3]. Les dispositifs de stockage d'énergie tels que les batteries et les supercondensateurs jouent un rôle très important, efficace et abordable dans la génération de sources d'énergie renouvelables et durables et constituent des alternatives viables aux options traditionnelles non renouvelables. Les supercondensateurs sont devenus les dispositifs de stockage d'énergie durables les plus prometteurs en raison de leur longue durée de vie, de leur densité de puissance élevée et de leur temps de charge/décharge ultra-rapide [4,5,6,7,8]. De plus, en raison du domaine de recherche en plein essor des nanomatériaux à base de carbone tels que le graphène, les nanotubes, les nanopoints et les points quantiques, le développement intensif des dispositifs de stockage d'énergie à supercondensateur a également été accru [9,10,11]. Des études révèlent que de nombreux travaux de recherche se sont concentrés sur la synthèse de matériaux et de leurs composites avec d'autres hybrides démontrant une capacité élevée, une large fenêtre de potentiel, une impédance moindre et une bonne rétention capacitive [12]. En outre, la fabrication d'électrodes a attiré une large attention avec une charge de masse élevée de matériau activé et un rapport masse/collecteur de courant [13, 14].

Les supercondensateurs à base de matériaux carbonés ont été largement étudiés et offrent de larges fenêtres de potentiel conduisant à la haute densité énergétique en présence d'électrolytes organiques [15, 16]. Par conséquent, les supercondensateurs à base de carbone présentent une résistance élevée et une faible capacité. Mais les électrolytes organiques sont toxiques, inflammables et relativement chers [15]. Les nanotubes de carbone, le graphène, etc., sont dans une certaine mesure exorbitants sur les méthodes de préparation et de disponibilité des matériaux primaires et restreignent leurs applications à grande échelle. Par conséquent, des recherches portant sur plusieurs changements pour différents matériaux de carbone ont été effectuées pour augmenter la fenêtre potentielle, les performances de supercapacité et une impédance moindre avec une méthode écologique, rentable et facile à utiliser [17, 18].

Le charbon actif ayant une surface spécifique élevée, de nombreux associés fonctionnels et une porosité suffisante a été largement utilisé pour l'adsorption, le stockage de gaz, la séparation de gaz, le support de catalyseur, la décoloration au solvant, la récupération de solvant, les électrodes et les supercondensateurs au cours des dernières décennies. Sa structure poreuse et d'autres propriétés telles qu'une surface spécifique élevée, un volume de pores, la présence de différents types de groupes fonctionnels et la distribution des tailles de pores jouent un rôle crucial dans les applications liées à l'absorption du charbon actif [18]. Selon la taille des pores, le charbon actif peut être utilisé dans différents domaines d'application tels que les micropores sont utilisés dans l'adsorption de la plus petite molécule, tandis que les mésopores sont largement utilisés dans l'adsorption des plus grosses molécules [19, 20].

De nombreux facteurs affectent les propriétés du charbon actif, tels que les matières premières, la voie de synthèse, le réactif d'activation et les conditions environnementales pendant le processus d'activation. AC est synthétisé en adoptant différentes voies de synthèse et précurseurs qui sont des biodéchets/naturellement disponibles tels que les coques de noix de coco [21], le neem [22], l'amidon de maïs [23], les vieux papiers recyclés [24], les pneus usagés [25], et la fibre de banane [26]. L'AC est principalement synthétisé par des processus d'activation physiques et chimiques [19]. Habituellement, le premier implique principalement la carbonisation et l'activation ultérieure dans une atmosphère inerte ou la présence de gaz tel que le CO₂ ou des agents oxydants [27], alors que le processus d'activation chimique comprend d'abord le développement des structures poreuses en ajoutant des agents d'activation tels que ZnCl₂ , NaOH, H₃ Bon de commande₄ , et KOH [12, 28, 29, 30]. Selon des études, ZnCl₂ n'est pas un agent actif de loin préférable en raison de préoccupations environnementales et d'une récupération incompétente. Par conséquent, l'AC activé par ZnCl₂ n'a pas été adapté à des fins industrielles pharmaceutiques et agro-alimentaires car ils ont une probabilité de contaminer les résultats [20]. Parmi les autres réactifs chimiques, le KOH a été largement utilisé car il donne des AC avec une surface spécifique élevée et des pores bien définis. Gonzalez et al. ont rapporté l'activation de KOH des noyaux de cerise résultant en des AC microporeux avec de grandes capacités [31]. Yushin et al. synthétisé les AC à base de sciure de bois par carbonisation hydrothermale, suivie d'une activation à partir de KOH, et étudié les performances de son supercondensateur [32]. Ranganathan et al. a illustré la synthèse des AC à partir des vieux papiers en utilisant du KOH comme agent d'activation. Il présente une capacité spécifique de 180 F g ⁻¹ dans l'électrolyte KOH [24]. Il et al. ont utilisé une technique de chauffage rapide par micro-ondes pour synthétiser des AC à partir de cokes et ont étudié le rapport massique KOH-coke et le temps d'activation [33]. Les agents activateurs jouent un rôle vital au cours du processus comme les agents déshydratants empêchent la progression de plusieurs produits intermédiaires. Il augmente également la densité des structures poreuses et réduit le temps d'activation ainsi que la température [24, 34, 35].

Dans le présent travail, l'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata ) a été utilisé comme précurseur écologique, rentable et abondant pour la synthèse de charbon actif. Pour synthétiser AC, un procédé chimique impliquant KOH comme agent d'activation a été adopté en raison de sa meilleure fiabilité. Le matériau AC tel que synthétisé a été caractérisé par spectroscopie UV-visible, infrarouge à transformée de Fourier et Raman. De plus, pour accéder à la validation des caractéristiques structurelles, le matériau tel que synthétisé a été caractérisé par des techniques de microscopie électronique à balayage (SEM), de spectroscopie à dispersion d'énergie (EDAX), de MET et de XRD. Aux fins de l'application, des techniques de charge électrochimique et galvanométrique ont été adoptées en suivant une légère modification de l'électrode avec un système à trois électrodes. En raison de la fiabilité de la technique GC, elle a été utilisée pour d'autres calculs tels que la supercapacité, la densité d'énergie et la densité de courant. Il révèle que le courant alternatif préparé présente d'excellentes propriétés de supercapacité en raison de caractéristiques poreuses bien définies. Désormais, cette étude est la première du genre à traiter de la fabrication de charbon actif (CA) hautement capacitif à partir d'un biodéchet d'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata ).

Méthodes

Matériaux

Herbe Kusha (Desmostachya bipinnata; DP) a été collecté dans le jardin botanique du campus BHU, Varanasi, Inde, tandis que l'hydroxyde de potassium (KOH), l'électrode de carbone vitreux (GCE) et la poudre d'alumine ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich. Les solutions aqueuses utilisées dans toutes les expériences ont été préparées en utilisant de l'eau déminéralisée (DI > 18 MΩ cm ⁻¹ , système Millipore Q).

Différentes techniques analytiques ont été utilisées pour caractériser les échantillons tels que synthétisés. Pour accéder aux caractéristiques structurelles et aux propriétés cristallines du charbon actif tel que synthétisé, la diffraction des rayons X sur poudre a été réalisée sur un diffractomètre à rayons X PANalytical en utilisant CuK_α rayonnement (λ = 1.540 Å) à 2θ ~ 10°–80°. Les microstructures et morphologies de surface du matériau brut de synthèse ont été étudiées au microscope électronique à transmission (MET, TECHNAI G ² fonctionnant à 200 kV) et un microscope électronique à balayage (Dual FIB :FEI Nanolab fonctionnant à 200 kV). L'échantillon TEM a été préparé par coulée en gouttes d'une suspension de poudre de DP-AC sur une grille revêtue de carbone suivi d'une suspension ultrasonique dans de l'eau DI. En outre, certaines caractéristiques structurelles supplémentaires du charbon actif tel que synthétisé ont été confirmées par spectroscopie Raman. La mesure de la diffusion Raman a été réalisée avec une excitation laser He-Ne à 532 nm à l'aide d'un spectromètre Raman (Renishaw inVia, Royaume-Uni). De plus, le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) (Bruker ALPHA II) a été utilisé pour étudier la présence des groupes fonctionnels attachés à l'échantillon tel que synthétisé. Les propriétés optiques ont été évaluées par spectroscopie d'absorption de lumière UV-visible enregistrée par des lampes fluorescentes (λ = 365 nm) (PerkinElmer, Lambda 25). La surface et la distribution de la taille des pores de l'échantillon de charbon actif tel que préparé ont été mesurées en utilisant une analyse d'adsorption/désorption d'azote liquide en adoptant une méthode automatique de Brunauer-Emmett-Teller (BET) (micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, États-Unis).

Synthèse de charbon actif

Brièvement, l'herbe Kusha (DP) a été coupée et lavée doucement plusieurs fois avec de l'eau DI jusqu'à ce que le surnageant s'avère incolore. Le DP a été maintenu dans un four à 100 °C pendant 5 h et encore carbonisé pendant 2 h dans un four à moufle maintenu à 700 °C. Pour l'activation, il a été mélangé dans du KOH éprouvé (w/w 1:4) à l'aide d'un mortier-pilon, puis le mélange homogène a été collecté. De plus, il a été maintenu dans un four tubulaire à 700 °C pendant 2 h sous atmosphère d'argon. Le mélange a été encore refroidi à température ambiante et le mélange tel que reçu a été lavé plusieurs fois avec de l'eau déminéralisée jusqu'à ce que le pH atteigne une valeur de ~ 7. Enfin, nous avons obtenu le produit sous forme de charbon actif et l'avons conservé en sécurité dans un récipient pour d'autres expériences. et mesures. Le processus global est illustré à la figure 1.

Illustration de la voie stratégique de synthèse du charbon actif à partir de l'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata )

Préparation des électrodes

Une électrode en carbone vitreux (GCE) de diamètre   ~ 0,3 cm a été polie avec une suspension d'alumine (0,05 μm). Dans l'étape suivante, de l'eau DI a été utilisée pour nettoyer la surface du GCE. Il a été lavé 3 à 4 fois avec de l'eau DI et encore soniqué pendant 15 à 20 min dans de l'eau DI et de l'éthanol. Pour le dépôt d'AC, 1 mg de matière active (AC) a été dissous dans de l'eau DI (1 mL) et soniqué pendant 15 min. De plus, 10 μL de la solution préparée ont été coulés sur du GCE, à l'aide d'une micropipette, et séchés à la lumière d'une lampe sans aucun contact à proximité pour éviter la contamination.

Tests électrochimiques

Des expériences électrochimiques ont été réalisées sur le poste de travail multicanal CHI-660C avec un système à trois électrodes utilisant du fil pt, Ag/AgCl et une électrode de carbone vitreux comme compteur, référence et électrode de travail, respectivement. Un électrolyte aqueux alcalin 6 M KOH a été appliqué pour effectuer les mesures. Voltamétrie cyclique à différentes vitesses de balayage (10-200 mV s ⁻¹ ) a été réalisée avec la fenêtre de potentiel de balayage − 0,35 V à + 0,45 V. Les différents paramètres électrochimiques ont été accessibles en utilisant les équations suivantes [35,36,37].

La capacité spécifique a été évaluée comme

où \(I_{{{\text{Avg}}}} =I_{\max } - I_{\min }\) et aussi m et ν représentent respectivement la masse du matériau de chargement (g) et la vitesse de balayage (v/s). De plus, C _s a une unité de F g ⁻¹ .

Étant donné que la technique de charge-décharge galvanométrique (GCD) est plus fiable et donne des résultats plus précis, nous avons adopté la technique GCD pour des calculs ultérieurs. Nous avons calculé la capacité spécifique en utilisant l'équation

où je , t , V , et m représentent le courant (A ), période de décharge (s ), fenêtres de tension (V ), et la masse du matériau de chargement (g ), respectivement.

De plus, la densité d'énergie (E ) et la densité de puissance (P ) ont été déduits des équations

Résultats et discussion

Diffraction des rayons X

Pour accéder aux informations concernant la graphitisation du matériau de charbon actif tel que synthétisé, la technique XRD a été adoptée. Le profil XRD (Fig. 2a) montre clairement les pics caractéristiques du charbon actif à 22° et 43° [38, 39]. L'intensité et la position des pics révèlent le faible degré de graphitisation, les régularités de la structure cristalline et la formation de K₂ CO₃ (2θ = 36,52°) comme produit intermédiaire [40,41,42]. En outre, les pics caractéristiques obtenus peuvent être affectés aux plans de réflexion (002) et (100) pour le DP-AC. Le large pic du spectre stipule le carbone amorphe, tandis que la netteté du pic assigné à 22° montre l'augmentation de l'ordre de translation dans l'échantillon de carbone à haute température. Ces résultats confirment la formation réussie de matériau AC tel que synthétisé.

un Modèle XRD et b Spectre Raman du charbon actif brut de synthèse

Analyse Raman

De plus, le matériau a été caractérisé par spectroscopie Raman, une technique des plus prononcées pour caractériser divers matériaux carbonés. Il y a deux pics les plus intenses observés dans le spectre Raman du matériau de charbon actif positionné à 1346 cm ⁻¹ (pic D) et 1587 cm ⁻¹ (pic G) comme le montre la figure 2b. Le pic D est la caractéristique des défauts du réseau, des imperfections des bords, d'un alignement négligé et d'une structure graphitique à faible symétrie dans le matériau de charbon actif [43], et le deuxième pic, c'est-à-dire le pic G, démontre l'apparition de vibrations d'étirement C=C [ dix]. En outre, il présente deux autres bandes à des nombres d'ondes plus élevés 2678 cm ⁻¹ (2D) et 2 840 cm ⁻¹ (S3) en raison de la connotation du carbone et révèle la présence de matériau carboné à quelques couches et la nature graphitique du matériau charbon actif [44].

De plus, le degré de graphitisation a été calculé par l'équation

où R , Je _D, et Je _G représentent le degré de graphitisation, l'intensité du pic D positionné à 1346 cm ⁻¹ , et l'intensité du pic G positionné à 1587 cm ⁻¹ , respectivement. Après le calcul, la valeur de R s'est avéré être ~ 0.84, ce qui fait référence à un indice de graphitisation plus élevé dans une certaine mesure [10].

Caractérisation morphologique et analyse par rayons X à dispersion d'énergie (EDX)

Pour explorer les caractéristiques microstructurales et la morphologie de surface du matériau tel que synthétisé, des images de microscopie électronique à balayage (MEB) comme le montrent les figures 3a, b ont été analysées. La morphologie suggère la présence de gros pores irréguliers dans le DP-AC tel que synthétisé. L'apparition de structures poreuses irrégulières et désordonnées à la surface explique l'attaque violente du réactif KOH. Les pores DP-AC développés pendant la pyrolyse sont cruciaux pour améliorer la surface et le volume des pores du charbon actif en favorisant la diffusion des molécules de KOH dans les pores et ainsi augmenter la réaction du carbone, qui est ici supposée générer des pores supplémentaires dans l'AC. La structure de grande taille de pores à la surface du matériau de charbon actif a été avantageuse pour les applications de stockage de charge comme les supercondensateurs. De plus, l'analyse élémentaire du matériau de charbon actif tel que synthétisé (Fig. 3c) a été effectuée via une technique de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie et révèle l'existence d'éléments de carbone, d'oxygène et de potassium.

un Image SEM (échelle à barres 10 μm), b Image SEM (échelle à barres 2 μm) et c Profil EDAX de l'échantillon tel que préparé

Microscopie électronique à transmission (MET) et distribution granulométrique

En outre, pour authentifier davantage d'informations structurelles, les dimensions de qualité cristalline de l'échantillon préparé, une microscopie électronique à transmission (MET) a été réalisée. Les images MET déduisent la présence de plusieurs structures de taille de pores qui peuvent être vues comme des sites transparents (entourés de couleur jaune) sur les Fig. 4a, b. De plus, le motif SAED révèle la nature amorphe du matériau de charbon actif, comme le montre l'encart de la figure 4a.

un Image TEM (échelle à barres 100 nm) (encart :motif SAED), b Image MET montrant différentes tailles de structures poreuses (échelle de barre 50 nm) du matériau de charbon actif tel que synthétisé

Absorption de la lumière UV-Visible et analyse FTIR

Le spectre d'absorption UV-visible du matériau de charbon actif tel que synthétisé a été enregistré et est représenté sur la figure 5a. Il possède un pic d'absorption caractéristique à 264 nm dû aux transitions électroniques entre le collage et l'anti-collage π -orbitales.

un Spectre UV-visible et b Spectre FTIR, de l'échantillon de charbon actif tel que synthétisé dérivé de l'herbe de Kusha

Les propriétés chimiques de surface du charbon actif tel que synthétisé ont été analysées par spectroscopie FTIR et sont illustrées à la figure 5b. Il donne des détails sur les groupes fonctionnels associés dans le matériau de charbon actif. L'apparition d'une bande d'absorption à 3115 cm ⁻¹ et un petit pic à 2368,78 cm ⁻¹ doit à −OH la vibration d'étirement des groupes fonctionnels hydroxyle [10, 45, 46]_. Le pic à 1624,63 cm ⁻¹ est associé −C=C étirement des cycles aromatiques_, qui peut être formé en raison de la décomposition des liaisons C-H pour former un groupe -C=C plus stable à une température d'activation plus élevée [47]. Les bandes d'absorption fortes à 1459,46, 1361,78, 1146,88, 1010,13 et 862,72 cm ⁻¹ confirmer la présence de –C–C (conjugué avec –C=C),  –CH₃ vibration, étirement C–N, modes d'étirement C–O de l'ester et étirement symétrique – C–O [39, 43, 47, 48, 49] dans le matériau de charbon actif tel que synthétisé, respectivement. De plus, le fort pic d'absorption à 706,43 cm ⁻¹ attribue à -C=C la flexion dans le DP-AC tel que synthétisé.

Analyse BET

N₂ Isothermes d'adsorption et de désorption

La porosité dans le matériau carboné a été générée avec activation par un réactif KOH lors de la synthèse. La structure des pores et la surface sont considérées comme des facteurs importants pour la capacité de supercondensateur ou d'ultracondensateur des matériaux [11]. Le DP-AC tel que synthétisé a été analysé par N₂ test d'adsorption-désorption basé sur le principe BET pour les caractéristiques de structure des pores et la surface spécifique. La figure 6a illustre l'isotherme d'adsorption-désorption d'azote du DP-AC activé par K₂ CO₃ . La forme de N₂ L'isotherme d'adsorption-désorption est supposée être une isotherme de type mixte, c'est-à-dire qu'elle comprend les isothermes II et IV. L'isotherme de type II supposée comme la combinaison des isothermes de type I et II est indicative de l'existence de la nature microporeuse. La partie initiale (forme concave) démontre la couverture complète de la monocouche et l'absorption supplémentaire de la multicouche [11]. Par conséquent, l'isotherme de type II révèle un bon accord dans les structures microporeuses ainsi que microporeuses. A la pression relativement plus élevée, l'absorption graphique signifie remarquablement des isothermes de type IV ayant une boucle d'hystérésis. De plus, l'isotherme de type IV attribue une adsorption monocouche et multicouche accompagnant la condensation capillaire qui a lieu dans des pores coniques en forme de fente. De plus, la surface et le diamètre des pores ont été évalués à l'aide de l'équation BET (Eq. 7).

où (P /P ₀ ) représente la pression relative et Q , Q _m , et C représentent respectivement le poids de gaz adsorbé, l'adsorbat en monocouche et la constante BET. Les paramètres de surface tels que la surface BET, la surface des micro- et mésopores, le volume total des pores, le volume des micro- et mésopores et le diamètre moyen des pores de DP-AC ont été déduits et sont résumés dans le fichier supplémentaire 1 :tableau S2 de supplément Rubrique d'informations.

un N₂ isotherme d'analyse adsorption-désorption (encart montrant une relation entre la pression relative (P /P ₀ ) versus 1/[Q (P ₀ /P −  1)]), b intrigue BJH ; graphique de distribution de la taille des pores des matériaux de charbon actif (l'encart montre une vue agrandie démontrant l'existence de mésopores pour DP-AC)

La distribution de la taille des pores du DP-AC

La figure 6a (en médaillon) montre une ligne droite pour la quantité absorbée en fonction de la pression relative (P /P ₀ ), ce qui est un bon accord pour le calcul de la surface totale. La figure 6b montre la distribution de la taille des pores par rapport au volume différentiel. Pour étudier la distribution de la taille des pores, une analyse BJH a été effectuée. Le diamètre moyen de la taille des pores et la largeur de l'échantillon de charbon actif préparé ont été trouvés comme ~ 3,3 nm et  ~ 2,3 nm, respectivement. Le volume de pores moyen correspondant a été de 0,126 cm ³ g ⁻¹ . La figure 6b (en médaillon) représente la vue agrandie du volume différentiel BJH et la distribution du diamètre de la taille des pores pour DP-AC. La courbe isotherme BET révèle que la surface possède une valeur de  ~ 738,56 m ² g ⁻¹ , ce qui induit l'existence de méso- et macropores dans l'échantillon tel que synthétisé. Les matériaux ayant un rapport surface/volume élevé et une abondance de mésopores stimulent un stockage de charge suffisant (densité d'énergie) et une cinétique de transfert de charge rapide (densité de puissance), respectivement, et sont d'une importance cruciale dans le stockage d'énergie avancé.

Analyse électrochimique

Des analyses de voltamétrie cyclique (CV), de charge-décharge galvanostatique (GCD) et de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été utilisées pour observer les performances électrochimiques du DP-AC pour les supercondensateurs. Toutes les investigations ont été réalisées avec un système à trois électrodes dans 6 M de KOH comme solution électrolytique.

L'évaluation des performances électrochimiques à l'aide de CV est résumée dans la figure 7a. La figure illustre les courbes CV à des taux de balayage variés dans la plage de 10 à 200 mV s ⁻¹ dans la fenêtre de potentiel de 0,35 V à + 0,45 V et montre la forme rectangulaire de la courbe volumétrique cyclique de AC. La figure 7b présente une caractéristique commune d'un dispositif de stockage d'énergie électrochimique. Une faible vitesse de balayage présente une valeur de capacité spécifique plus élevée qu'à une vitesse plus élevée car à une faible vitesse de balayage, les ions dans l'électrolyte peuvent diffuser dans les pores accessibles de l'électrode, permettant une bonne interaction entre les ions et les pores de l'électrode pour se produire. À des taux plus élevés, une mauvaise accessibilité ou une disponibilité moindre du temps pour que les ions hydroxyle soient transférés de l'électrolyte à la surface de l'électrode, et donc les ions entraînent une diminution de la capacité spécifique [50, 51]. Nous avons observé une capacité spécifique maximale à 10 V s ⁻¹ taux de balayage, tandis que le taux de balayage est réduit de 160 à 10 V s ⁻¹ . Une surface spécifique élevée et une porosité élevée jouent un rôle crucial pour posséder une capacité élevée. De plus, la forme rectangulaire fermée du CV attribue à l'optimisation du volume combiné des micropores et des mésopores ainsi qu'une bonne conductivité électrique. Désormais, la capacité spécifique la plus élevée, C _SP as ~ 220.70 F g ⁻¹ a été trouvé à 10 mV s ⁻¹ pour DP-AC calculé à l'aide de l'Eq. 1.

un Voltammogramme cyclique (CV) à différentes vitesses de balayage, b capacité spécifique par CV, c courbes de charge-décharge galvanostatique à différentes densités de courant, d capacité spécifique via GCD, e stabilité cyclique du matériau d'électrode DP-AC tel que synthétisé jusqu'au 5000ème cycle avec des cycles initiaux et finaux à une densité de courant de 0,7 A g ⁻¹

Ces excellentes performances du DP-AC sont dues à sa structure en forme de feuille poreuse qui joue un rôle vital pour les ions électrolytiques permettant un transport et un stockage rapides des charges.

De plus, la capacité électrochimique et l'efficacité colombique ont été déduites des performances électrochimiques du matériau de l'électrode en utilisant la technique de charge-décharge galvanostatique dans une fenêtre de potentiel fixe dans des situations de courant contrôlées à différentes densités de courant 0,7, 0,9, 1,5, 1,8 et 2 A g ⁻¹ . Il affiche un profil galvanométrique de forme presque triangulaire (Fig. 7c), ​​signifiant la caractéristique EDLC dans l'électrode DP-AC. Le C maximum _SP a été déduit comme 218 F g ⁻¹ à une densité de courant de 0,7 A g ⁻¹ pour DP-AC à partir de l'éq. 2. La figure 7d illustre la variation de la capacité spécifique avec la densité de courant [52, 53, 54]. Lorsque la densité de courant augmente progressivement, la capacité spécifique diminue lentement. Il est connu que lorsque le courant de charge devient plus rapide, il est difficile pour les ions d'électrolyte de diffuser rapidement dans les pores correspondants du matériau d'électrode. De plus, étant donné que la stabilité cyclique du matériau est un paramètre crucial pour les utilisations pratiques du supercondensateur, la cyclabilité du matériau d'électrode DP-AC a été réalisée. La figure 7e montre que  ~ 88% de la capacité spécifique initiale est conservée et suggère sa capacité à charger et décharger rapidement sans pratiquement aucune dégradation même après le 5000ème cycle [50, 53, 54] et confirme à son tour la durabilité de l'équipement tel que préparé. matériel.

Pour valider davantage les performances du matériau DP-AC tel que synthétisé pour les applications de stockage d'énergie dans la vie pratique, les densités d'énergie et de puissance sont considérées comme deux paramètres essentiels et ont été déduites du profil de charge/décharge à l'aide d'équations. 3 et 4. Il présente une densité énergétique maximale de 19,3 Wh kg ⁻¹ avec une densité de puissance raisonnablement bonne de 277 W kg ⁻¹ tel qu'évalué dans la plage de − 0,35 V à + 0,45 V et est illustré à la Fig. 8a. Ainsi, en accord avec le tracé de Ragone, nous avons développé un supercondensateur avec une densité d'énergie améliorée et sans perte de densité de puissance qui peut être utilisé pratiquement. Aussi, remarquable C _SP dans une large fenêtre de potentiel démontre une augmentation suffisante de la densité d'énergie du DP-AC tel que synthétisé. Des calculs étendus liés aux performances des supercondensateurs ont été déduits et donc affichés dans le Fichier supplémentaire 1 :Table.S1.

un Ragone plot for the GCD capacitor and b Nyquist plot of impedance for as-synthesized DP-AC

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique has been adopted to investigate the interfacial properties such as capacitive and resistive characters of the as-synthesized material at the electrode–electrolyte interface [52] through Nyquist plot (Fig. 8b) and Bode plot (Additional file 1:Fig.S1). Fig. 8b illustrates the Nyquist plot between – Z” (imaginary part) and Z’ (real part) measured in the frequency range of 0.01 Hz to 0.1 GHz at an AC amplitude of 5 mV in the open circuit potential. It shows electric resistance of 1.58 Ω along a small diameter of semicircle confirming high conductivity and low internal resistance. The intersection between the curve and horizontal axis represents the total electric resistance of the device. The diameter of the semicircle at high frequency owes to the charge transfer resistance between electrode material and electrolyte, and tail slope at low frequency attributes to the ionic diffusion rate in the electrolyte [55,56,57]. Therefore, an electrode with as-synthesized DP-AC suits well for supercapacitor applications.

Conclusion

In summary, a very new facile and low-cost synthesis strategy has been illustrated in the present study for the development of activated carbon material with well-developed pores and high surface area from a natural precursor Kusha grass. It demonstrates a sustainable, eco-friendly, easy-to-employ, without any complex post-synthesis procedure for the energy storage application like a supercapacitor. The fabricated DP-AC with excellent properties has been used as an electrode material for electrochemical supercapacitors. The route enables a bit of modification of the electrode system with a loading of 1 × 10 ⁻⁵  g DP-AC sample and exhibits a significantly high collector current–mass ratio. The highest specific capacitance has been observed with the CV technique as 220.70 F g ⁻¹ and with GCD as 218 F g ⁻¹ in a wide operating potential window, which is comparably higher than reported works on the ground of green synthesis (Table 1). The fabricated supercapacitor shows a good energy density and power density as 19.3 Wh kg ⁻¹ and 277.92 W kg ⁻¹ , respectively, and good retention in capacitance at remarkably higher charging/discharging rates with excellent cycling stability. Henceforth, bio-waste Kusha grass-derived activated carbon (DP-AC) with optimal electrochemical performance can be explored successfully at a real scale, and electrochemical electrical energy store devices with Kusha grass-based AC material may be realized in a short period.

Disponibilité des données et des matériaux

The used datasheets and materials are available from the corresponding authors on reasonable request.

Abréviations

DP:

Desmostachya bipinnata

AC:

Charbon actif

KOH :

Hydroxyde de potassium

GCE:

Glassy carbon electrode

XRD :

Diffraction des rayons X sur poudre

TEM :

Microscopie électronique à transmission

SEM :

Scanning electron microscopy

EDAX:

Energy-dispersive X-ray spectroscopy

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

BET:

Brunauer–Emmett–Teller

CV :

Voltamétrie cyclique

GCD :

Galvanostatic charge–discharge

EIS :

Electrochemical impedance spectroscopy