Carbone activé durable à partir d'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata) pour supercondensateurs haute performance

Résumé

Ce travail démontre la fabrication de carbone activé (CA) hautement capacitif à partir d'un déchet biologique, l'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata), par un procédé chimique suivi d'une activation au KOH. Le CA à quelques couches ainsi synthétisé a été confirmé par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et spectroscopie Raman. L'environnement chimique de l'échantillon a été analysé par spectroscopie IRTF et UV-visible. La surface spécifique et la porosité ont été déterminées par la méthode Brunauer-Emmett-Teller (BET). Toutes les mesures électrochimiques ont été effectuées par voltampérométrie cyclique et charge/décharge galvanostatique (GCD), cette dernière étant privilégiée pour sa précision. Le CA synthétisé présente une capacitance spécifique maximale de 218 F g⁻¹ dans une fenêtre de potentiel de -0,35 à +0,45 V, une densité d'énergie de ~19,3 Wh kg⁻¹ et une densité de puissance de ~277,92 W kg⁻¹. Il conserve également une excellente rétention de capacitance après 5000 cycles. Le supercondensateur fabriqué affiche une bonne densité d'énergie et de puissance, ainsi qu'une bonne rétention à des taux de charge/décharge élevés avec une stabilité cyclique excellente. Le CA dérivé de l'herbe Kusha (DP-CA) montre un grand potentiel pour les applications de supercondensateurs grâce à ses propriétés électrochimiques exceptionnelles. Cette étude illustre une approche simple et innovante pour synthétiser un CA dérivé de déchet biologique comme matériau d'électrode émergent, élargissant ses applications pratiques dans le stockage d'énergie électrochimique.

Introduction

Ces dernières années, beaucoup d'attention a été portée au développement de modèles de stockage d'énergie durables, incluant dispositifs de conversion et de stockage, pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux. Les dispositifs de stockage tels que batteries et supercondensateurs jouent un rôle significatif, efficace et abordable dans la génération d'énergies renouvelables et durables, constituant des alternatives viables aux options non renouvelables traditionnelles. Les supercondensateurs sont apparus comme les dispositifs de stockage d'énergie durables les plus prometteurs grâce à leur longue durée de vie cyclique, leur haute densité de puissance et leurs temps de charge/décharge ultra-rapides. De plus, l'essor de la recherche sur les nanomatériaux à base de carbone (graphène, nanotubes, nanodots, points quantiques) a intensifié le développement des supercondensateurs. De nombreuses études se concentrent sur la synthèse de matériaux et leurs composites hybrides démontrant haute capacitance, large fenêtre de potentiel, faible impédance et bonne rétention capacitive. La fabrication d'électrodes avec fort chargement massique de matériau actif et rapport masse/collecteur de courant élevé a également suscité un large intérêt.

Les supercondensateurs à base de matériaux carbonés ont été largement étudiés et offrent de larges fenêtres de potentiel menant à une haute densité d'énergie en présence d'électrolytes organiques. Cependant, les électrolytes organiques sont toxiques, inflammables et relativement chers. Les nanotubes de carbone, le graphène, etc., sont onéreux dans leurs méthodes de préparation et la disponibilité des matières premières, limitant leurs applications à grande échelle. Par conséquent, des recherches sur divers matériaux carbonés ont été menées pour augmenter la fenêtre de potentiel, la performance supercapacitive et réduire l'impédance, avec des méthodes écologiques, rentables et faciles à mettre en œuvre.

Le carbone activé, avec sa grande surface spécifique, ses nombreux groupes fonctionnels et sa porosité suffisante, est utilisé depuis des décennies pour l'adsorption, le stockage de gaz, la séparation de gaz, le support de catalyseur, la décoloration de solvants, la récupération de solvants, les électrodes et les supercondensateurs. Sa structure poreuse et ses propriétés (grande surface spécifique, volume de pores, présence de différents types de groupes fonctionnels, distribution des tailles de pores) jouent un rôle crucial dans les applications liées à l'absorption. Selon la taille des pores, le CA peut être utilisé dans différents domaines : les micropores pour l'adsorption de petites molécules, les mésopores pour l'adsorption de molécules plus grandes.

De nombreux facteurs influencent les propriétés du CA : matières premières, voie de synthèse, agent activateur, conditions environnementales pendant l'activation. Le CA est synthétisé par différentes voies et précurseurs bio-déchets/naturels : coques de noix de coco, neem, amidon de maïs, papier recyclé, pneus usagés, fibres de banane. Le CA est principalement synthétisé par activation physique et chimique. La première implique principalement la carbonisation puis l'activation en atmosphère inerte ou en présence de gaz (CO₂ ou agents oxydants), tandis que l'activation chimique développe d'abord la structure poreuse en ajoutant des agents activateurs (ZnCl₂, NaOH, H₃PO₄, KOH). Selon les études, le ZnCl₂ n'est pas un agent activateur très préférable en raison de préoccupations environnementales et de récupération inadéquate. Le CA activé au ZnCl₂ n'est pas adapté aux usages pharmaceutiques et agroalimentaires en raison de risques de contamination. Parmi les autres réactifs chimiques, le KOH est largement utilisé car il produit des CA à grande surface spécifique et pores bien définis. Gonzalez et al. ont rapporté l'activation au KOH de noyaux de cerise donnant des CA microporeux à grandes capacitances. Yushin et al. ont synthétisé des CA à base de sciure de bois par carbonisation hydrothermale suivie d'activation KOH, étudiant leur performance supercondensateur. Ranganathan et al. ont illustré la synthèse de CA à partir de papier déchet utilisant le KOH comme agent activateur, avec une capacitance spécifique de 180 F g⁻¹ dans l'électrolyte KOH. He et al. ont utilisé une technique de chauffage micro-ondes rapide pour synthétiser des CA à partir de cokes et ont étudié le rapport masse KOH/coke et le temps d'activation. Les agents activateurs jouent un rôle vital : agents déshydratants empêchant la progression de produits intermédiaires, augmentant la densité de structures poreuses et réduisant le temps et la température d'activation.

Dans ce travail, l'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata) a été utilisée comme précurseur carboné écologique, rentable et abondant pour la synthèse de CA. Un procédé chimique impliquant le KOH comme agent activateur a été adopté pour sa meilleure fiabilité. Le CA synthétisé a été caractérisé par spectroscopie UV-visible, infrarouge à transformée de Fourier et Raman. Pour valider les caractéristiques structurales, le matériau a été caractérisé par microscopie électronique à balayage (MEB), spectroscopie à dispersion d'énergie (EDAX), MET et XRD. Pour l'application, des techniques électrochimiques et de charge galvanostatique ont été adoptées avec un système à trois électrodes légèrement modifié. En raison de la fiabilité de la technique GC, elle a été utilisée pour les calculs de supercapacitance, densité d'énergie et densité de courant. Le CA préparé présente d'excellentes propriétés supercapacitives grâce à ses caractéristiques poreuses bien définies. Cette étude est la première de son genre traitant de la fabrication de CA hautement capacitif à partir de l'herbe Kusha bio-déchet.

Méthodes

Matériaux

L'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata ; DP) a été collectée au jardin botanique du campus BHU, Varanasi, Inde. L'hydroxyde de potassium (KOH), l'électrode de carbone vitreux (GCE) et la poudre d'alumine ont été achetés chez Sigma-Aldrich. Les solutions aqueuses utilisées dans toutes les expériences ont été préparées avec de l'eau déionisée (DI > 18 MΩ cm⁻¹, système Millipore Q).

Différentes techniques analytiques ont été employées pour caractériser les échantillons synthétisés. Pour accéder aux caractéristiques structurales et propriétés cristallines du CA synthétisé, la diffraction des rayons X sur poudre a été réalisée sur un diffractomètre PANalytical utilisant le rayonnement CuKα (λ = 1,540 Å) à 2θ ~ 10°-80°. Les microstructures et morphologies de surface ont été étudiées par microscopie électronique à transmission (MET, TECHNAI G² à 200 kV) et microscopie électronique à balayage (Double FIB : FEI Nanolab à 200 kV). L'échantillon MET a été préparé par dépôt de goutte de suspension de poudre DP-CA sur une grille recouverte de carbone suivie d'une suspension ultrasonique dans l'eau DI. La spectroscopie Raman a confirmé des caractéristiques structurales additionnelles. La diffusion Raman a été réalisée avec une excitation laser He-Ne à 532 nm utilisant un spectromètre Raman (Renishaw inVia, UK). Le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR, Bruker ALPHA II) a été utilisé pour investiguer la présence de groupes fonctionnels attachés à l'échantillon. Les propriétés optiques ont été évaluées par spectroscopie d'absorption UV-visible enregistrée par lampes fluorescentes (λ = 365 nm) (PerkinElmer, Lambda 25). La surface spécifique et la distribution de taille des pores du CA préparé ont été mesurées par analyse d'adsorption/désorption d'azote liquide selon la méthode BET automatique (micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, USA).

Synthèse du Carbone Activé

Brièvement, l'herbe Kusha (DP) a été coupée et lavée plusieurs fois doucement à l'eau DI jusqu'à ce que le surnageant devienne incolore. Le DP a été maintenu au four à 100 °C pendant 5 h puis carbonisé pendant 2 h dans un four tubulaire maintenu à 700 °C. Pour l'activation, il a été mélangé à du KOH prouvé (rapport masse/masse 1:4) à l'aide d'un mortier-pilon, et le mélange homogène a été recueilli. Il a ensuite été maintenu dans un four tubulaire à 700 °C pendant 2 h sous atmosphère d'argon. Le mélange a été refroidi à température ambiante, puis lavé plusieurs fois à l'eau DI jusqu'à obtention d'un pH ~ 7. Finalement, le produit obtenu était le carbone activé, conservé dans un récipient pour expériences et mesures ultérieures. Le processus global est illustré à la figure 1.

Illustration de la voie stratégique pour la synthèse de carbone activé à partir de l'herbe Kusha (Desmostachya bipinnata)

Préparation de l'Électrode

Une électrode de carbone vitreux (GCE) de diamètre ~ 0,3 cm a été polie avec une boue d'alumine (0,05 μm). Ensuite, l'eau DI a été utilisée pour nettoyer la surface du GCE. Elle a été lavée 3-4 fois à l'eau DI et soniquée 15-20 min dans l'eau DI et l'éthanol. Pour le dépôt du CA, 1 mg de matériau actif (CA) a été dissous dans l'eau DI (1 mL) et soniqué 15 min. Ensuite, 10 μL de la solution préparée ont été déposés sur le GCE à l'aide d'une micropipette, et séchés sous lumière de lampe sans contact à proximité pour éviter toute contamination.

Tests Électrochimiques

Les expériences électrochimiques ont été réalisées sur une station de travail multicanal CHI-660C avec un système à trois électrodes utilisant un fil de Pt, Ag/AgCl et l'électrode de carbone vitreux comme contre-électrode, référence et électrode de travail respectivement. Un électrolyte aqueux alcalin 6 M KOH a été utilisé. La voltampérométrie cyclique à différents taux de balayage (10-200 mV s⁻¹) a été effectuée avec une fenêtre de potentiel de -0,35 V à +0,45 V. Les différents paramètres électrochimiques ont été déterminés à l'aide des équations suivantes.

La capacitance spécifique a été évaluée par : Cₛ = I_Avg / (ν × m) où I_Avg = I_max - I_min, et m et ν représentent la masse du matériau chargé (g) et le taux de balayage (V/s). Cₛ a pour unité F g⁻¹.

Puisque la technique de charge/décharge galvanostatique (GCD) est plus fiable et donne des résultats plus précis, elle a été adoptée pour les calculs ultérieurs. La capacitance spécifique a été calculée par : Cₛ = (I × Δt) / (ΔV × m) où I, Δt, ΔV et m représentent le courant (A), la période de décharge (s), les fenêtres de tension (V) et la masse du matériau chargé (g).

La densité d'énergie (E) et la densité de puissance (P) ont été déduites par : E = (Cₛ × ΔV²) / 7,2 (Wh/kg) et P = (E × 3600) / Δt (W/kg).

Résultats et Discussion

Diffraction des Rayons X

Pour accéder aux informations concernant la graphitisation du matériau CA synthétisé, la technique XRD a été adoptée. Le profil XRD (Fig. 2a) montre clairement les pics caractéristiques du CA à 22° et 43°. L'intensité et la position des pics révèlent un faible degré de graphitisation, des régularités de la structure cristalline et la formation de K₂CO₃ (2θ = 36,52°) comme produit intermédiaire. Les pics caractéristiques obtenus peuvent être attribués aux plans de réflexion (002) et (100) pour le DP-CA. Le pic large dans le spectre stipule le carbone amorphe, tandis que la netteté du pic à 22° montre l'ordre translationnel accru dans l'échantillon de carbone à haute température. Ces résultats confirment la formation réussie du matériau CA.

a Diagramme XRD et b spectre Raman du carbone activé synthétisé

Analyse Raman

Le matériau a été caractérisé par spectroscopie Raman, technique prononcée pour caractériser divers matériaux carbonés. Deux pics intenses sont observés dans le spectre Raman du CA à 1346 cm⁻¹ (pic D) et 1587 cm⁻¹ (pic G) comme montré en Fig. 2b. Le pic D est caractéristique des défauts de réseau, imperfections de bords, alignement désordonné et structure graphitique à faible symétrie dans le CA. Le pic G démontre les vibrations d'étirement C=C. De plus, deux bandes à des nombres d'onde plus élevés (2678 cm⁻¹ pour 2D et 2840 cm⁻¹ pour S3) apparaissent dues aux overtones du carbone, révélant la présence de matériau carboné à quelques couches et la nature graphitique du CA. Le degré de graphitisation a été calculé par R = I_D / I_G, où R, I_D et I_G représentent le degré de graphitisation, l'intensité du pic D à 1346 cm⁻¹ et l'intensité du pic G à 1587 cm⁻¹. La valeur de R est d'environ 0,84, indiquant un indice de graphitisation relativement élevé.

Caractérisation Morphologique et Analyse EDX

Pour explorer les caractéristiques microstructurales et la morphologie de surface du matériau synthétisé, des images MEB (Fig. 3a, b) ont été analysées. La morphologie suggère la présence de pores larges et irréguliers dans le DP-CA synthétisé. L'occurrence de structures poreuses irrégulières et désordonnées en surface résulte de l'attaque violente du réactif KOH. Les pores du DP-CA développés pendant la pyrolyse sont cruciaux pour améliorer la surface spécifique et le volume de pores du CA en favorisant la diffusion des molécules de KOH dans les pores et en augmentant la réaction du carbone, générant ainsi des pores additionnels. La structure de pores de grande taille en surface du CA est avantageuse pour les applications de stockage de charge comme les supercondensateurs. De plus, l'analyse élémentaire du CA synthétisé (Fig. 3c) par spectroscopie X à dispersion d'énergie révèle l'existence de carbone, oxygène et potassium.

a Image MEB (échelle 10 μm), b Image MEB (échelle 2 μm), et c Profil EDAX de l'échantillon préparé

Microscopie Électronique à Transmission (MET) et Distribution de Taille des Particules

Pour authentifier davantage d'informations structurales et dimensions de qualité cristalline de l'échantillon, la MET a été réalisée. Les images MET infèrent la présence de plusieurs structures de tailles de pores visibles comme des sites transparents (entourés en jaune) en Fig. 4a, b. De plus, le motif SAED révèle la nature amorphe du CA comme montré dans l'encart de la Fig. 4a.

a Image MET (échelle 100 nm) (encart : motif SAED), b Image MET montrant diverses tailles de structures poreuses (échelle 50 nm) du CA synthétisé

Analyse UV-Visible et FTIR

Le spectre d'absorption UV-visible du CA synthétisé a été enregistré et est représenté en Fig. 5a. Il possède un pic d'absorption caractéristique à 264 nm dû aux transitions électroniques entre les orbites π liantes et antiliantes. Les propriétés chimiques de surface du CA synthétisé ont été analysées par spectroscopie FTIR (Fig. 5b). L'apparition d'une bande d'absorption à 3115 cm⁻¹ et un petit pic à 2368,78 cm⁻¹ sont dus à la vibration d'étirement -OH des groupes hydroxyles. Le pic à 1624,63 cm⁻¹ est associé à l'étirement -C=C des cycles aromatiques, qui peut être formé par la décomposition de liaisons C-H pour former un groupe -C=C plus stable à haute température d'activation. Les bandes d'absorption fortes à 1459,46, 1361,78, 1146,88, 1010,13 et 862,72 cm⁻¹ confirment la présence de -C-C (conjugué avec -C=C), vibration -CH₃, étirement C-N, modes d'étirement C-O d'ester, et étirement symétrique -C-O respectivement. Le pic d'absorption fort à 706,43 cm⁻¹ est attribué à la flexion -C=C dans le DP-CA synthétisé.

a Spectre UV-visible et b Spectre FTIR du CA synthétisé dérivé de l'herbe Kusha

Analyse BET

Isothermes d'Adsorption et Désorption de N₂

La porosité du matériau carboné a été générée par activation au réactif KOH lors de la synthèse. La structure des pores et la surface spécifique sont considérées comme des facteurs significatifs pour la capacité supercondensateur des matériaux. Le DP-CA synthétisé a été analysé par test d'adsorption-désorption N₂ basé sur le principe BET pour les caractéristiques de structure de pores et surface spécifique. La figure 6a représente l'isotherme d'adsorption-désorption d'azote du DP-CA activé par K₂CO₃. La forme de l'isotherme est de type mixte, incluant les isothermes II et IV. L'isotherme de type II indique l'existence de nature microporeuse. La partie initiale (forme concave) démontre la couverture complète de monocouche et l'absorption ultérieure de multicouches. L'isotherme de type II révèle un bon accord pour les structures microporeuses et mésoporeuses. À pression relativement plus élevée, l'absorption du graphique signifie remarquablement les isothermes de type IV avec une boucle d'hystérésis. L'isotherme de type IV attribue l'adsorption mono et multicouche accompagnant la condensation capillaire dans des pores fendus coniques. La surface spécifique et le diamètre des pores ont été évalués à l'aide de l'équation BET.

a Analyse d'adsorption-désorption N₂ (encart montrant la relation entre pression relative (P/P₀) versus 1/[Q(P₀/P - 1)]), b Graphique BJH ; distribution de taille de pores des matériaux CA (encart montrant une vue agrandie démontrant l'existence de mésopores pour DP-CA)

Distribution de Taille des Pores du DP-CA

La figure 6a (encart) montre une ligne droite pour la quantité absorbée vs pression relative (P/P₀), bon accord pour le calcul de la surface totale. La figure 6b montre la distribution de taille des pores contre le volume différentiel. Pour investiguer la distribution, l'analyse BJH a été réalisée. Le diamètre moyen de taille de pores et la largeur de l'échantillon CA préparé sont d'environ 3,3 nm et 2,3 nm respectivement. Le volume de pores moyen correspondant est de 0,126 cm³ g⁻¹. La figure 6b (encart) représente la vue agrandie du volume différentiel BJH et de la distribution du diamètre de pores pour DP-CA. La courbe d'isotherme BET révèle une surface spécifique d'environ 738,56 m² g⁻¹, inférant l'existence de méso- et macropores. Les matériaux avec 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), cruciaux pour le stockage d'énergie avancé.

Analyse Électrochimique

La voltampérométrie cyclique (CV), la charge/décharge galvanostatique (GCD) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été utilisées pour observer la performance électrochimique du DP-CA pour supercondensateur. Toutes les investigations ont été effectuées avec un système à trois électrodes en solution électrolytique 6 M KOH.

L'évaluation de la performance électrochimique par CV est résumée en Fig. 7a. La figure montre les courbes CV à différents taux de balayage (10-200 mV s⁻¹) dans la fenêtre de potentiel de -0,35 V à +0,45 V et montre la forme rectangulaire de la courbe voltampérométrique cyclique du CA. La figure 7b affiche une caractéristique commune d'un dispositif de stockage d'énergie électrochimique. Un faible taux de balayage exhibe une valeur de capacitance spécifique plus élevée qu'à un taux plus élevé, car à faible taux, les ions de l'électrolyte peuvent diffuser dans les pores accessibles de l'électrode, permettant une bonne interaction. À taux plus élevés, la faible accessibilité ou le temps moindre pour les ions hydroxyl de se transférer de l'électrolyte à la surface de l'électrode fait diminuer la capacitance spécifique. La capacitance spécifique maximale a été observée à 10 mV s⁻¹, tandis que le taux diminuait de 160 à 10 mV s⁻¹. La grande surface spécifique et la haute porosité jouent un rôle crucial pour posséder une haute capacitance. De plus, la forme rectangulaire fermée du CV attribue à l'optimisation du volume combiné micro/mésopores et à une bonne conductivité électrique. La capacitance spécifique la plus élevée, C_SP ~ 220,70 F g⁻¹, a été trouvée à 10 mV s⁻¹ pour DP-CA calculée par l'Éq. 1.

a Voltampérogramme cyclique (CV) à différents taux de balayage, b capacitance spécifique par CV, c courbes de charge/décharge galvanostatique à différentes densités de courant, d capacitance spécifique par GCD, e stabilité cyclique de l'électrode DP-CA jusqu'au 5000ème cycle avec cycles initial et final à une densité de courant de 0,7 A g⁻¹

Ces excellentes performances du DP-CA s'attribuent à sa structure feuilletée poreuse qui joue un rôle vital pour les ions d'électrolyte permettant un transport et stockage de charge rapides.

De plus, la capacitance électrochimique et l'efficacité coulombique ont été déduites de la performance électrochimique du matériau d'électrode par la technique GCD dans une fenêtre de potentiel fixe à des situations de courant contrôlées à différentes densités de courant (0,7, 0,9, 1,5, 1,8 et 2 A g⁻¹). Elle affiche un profil galvanométrique quasi triangulaire (Fig. 7c), signifiant la caractéristique EDLC dans l'électrode DP-CA. La capacitance spécifique maximale a été déduite à 218 F g⁻¹ à une densité de courant de 0,7 A g⁻¹ pour DP-CA par l'Éq. 2. La figure 7d montre la variation de la capacitance spécifique avec la densité de courant. À mesure que la densité de courant augmente, la capacitance spécifique diminue lentement. On sait 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, la stabilité cyclique étant un paramètre crucial pour les usages pratiques du supercondensateur, la cyclabilité de l'électrode DP-CA a été réalisée. La figure 7e montre que ~88 % de la capacitance spécifique initiale est conservée, suggérant sa capacité pour une charge/décharge rapide sans dégradation significative même après le 5000ème cycle, confirmant la durabilité du matériau.

Pour valider davantage la performance du DP-CA pour applications de stockage d'énergie pratiques, la densité d'énergie et la densité de puissance sont considérées comme deux paramètres vitaux, déduits du profil charge/décharge par les Éqs. 3 et 4. Elle exhibe une densité d'énergie maximale de 19,3 Wh kg⁻¹ avec une densité de puissance raisonnablement bonne de 277 W kg⁻¹ évaluée dans la gamme -0,35 V à +0,45 V, montrée en Fig. 8a. Ainsi, selon le graphique de Ragone, un supercondensateur avec densité d'énergie améliorée sans perte de densité de puissance a été développé, utilisable pratiquement. De plus, une C_SP remarquable dans une large fenêtre de potentiel démontre une augmentation suffisante de la densité d'énergie du DP-CA synthétisé. Des calculs étendus sur la performance du supercondensateur ont été déduits et affichés dans le Fichier additionnel 1 : Table.S1.

a Graphique de Ragone pour le condensateur GCD et b Graphique de Nyquist de l'impédance pour le DP-CA synthétisé

La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a été adoptée pour investiguer les propriétés interfaciales (caractères capacitifs et résistifs) du matériau synthétisé à l'interface électrode-électrolyte à travers le graphique de Nyquist (Fig. 8b) et le graphique de Bode (Fichier additionnel 1 : Fig.S1). La Fig. 8b illustre le graphique de Nyquist entre -Z'' (partie imaginaire) et Z' (partie réelle) mesuré dans la gamme de fréquence 0,01 Hz à 0,1 GHz à une amplitude AC de 5 mV au potentiel de circuit ouvert. Elle montre une résistance électrique de 1,58 Ω avec un petit diamètre de demi-cercle confirmant une haute conductivité et une faible résistance interne. L'intersection entre la courbe et l'axe horizontal représente la résistance électrique totale du dispositif. Le diamètre du demi-cercle à haute fréquence est dû à la résistance de transfert de charge entre le matériau d'électrode et l'électrolyte, et la pente de la queue à basse fréquence attribue au taux de diffusion ionique dans l'électrolyte. Par conséquent, une électrode avec DP-CA synthétisé convient bien pour applications supercondensateur.

Conclusion

En résumé, une stratégie de synthèse très nouvelle, facile et peu coûteuse a été illustrée pour le développement de matériau CA avec pores bien développés et grande surface spécifique à partir d'un précurseur naturel, l'herbe Kusha. Elle démontre une approche durable, écologique, facile à employer, sans procédure post-synthèse complexe pour application de stockage d'énergie comme supercondensateur. Le DP-CA fabriqué avec d'excellentes propriétés a été utilisé comme matériau d'électrode pour supercondensateurs électrochimiques. La voie permet une légère modification du système d'électrode avec un chargement de 1 × 10⁻⁵ g d'échantillon DP-CA et exhibe un rapport collecteur-courant/masse significativement élevé. La capacitance spécifique la plus élevée a été observée avec la technique CV à 220,70 F g⁻¹ et avec GCD à 218 F g⁻¹ dans une large fenêtre de potentiel de fonctionnement, comparativement supérieure aux travaux rapportés sur la synthèse verte (Tableau 1). Le supercondensateur fabriqué montre une bonne densité d'énergie et de puissance de 19,3 Wh kg⁻¹ et 277,92 W kg⁻¹ respectivement, et une bonne rétention de capacitance à des taux de charge/décharge remarquablement plus élevés avec une excellente stabilité cyclique. Désormais, le CA dérivé de l'herbe Kusha bio-déchet (DP-CA) avec performance électrochimique optimale peut être exploré avec succès à l'échelle réelle, et les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique avec matériau CA à base d'herbe Kusha pourront être réalisés dans un court délai.

Disponibilité des données et matériaux

Les feuilles de données et matériaux utilisés sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Abréviations

DP :

Desmostachya bipinnata

CA :

Carbone activé

KOH :

Hydroxyde de potassium

GCE :

Électrode de carbone vitreux

XRD :

Diffraction des rayons X sur poudre

MET :

Microscopie électronique à transmission

MEB :

Microscopie électronique à balayage

EDAX :

Spectroscopie X à dispersion d'énergie

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

BET :

Brunauer-Emmett-Teller

CV :

Voltampérométrie cyclique

GCD :

Charge/décharge galvanostatique

EIS :

Spectroscopie d'impédance électrochimique