Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (4), 489–497
The role and effect of CO2 flow rate on the structure formation of ultrahigh porous activated carbon from H3PO4-impregnated waste cotton used as supercapacitor electrode material
Nguyen K. Thach – National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow, Russia; College of electromechanical and civil engineering, Vietnam National University of Forestry, Hanoi, Vietnam; nguyenkienthach@gmail.com
Ilya S. Krechetov – National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow, Russia; ilya.krechetov@misis.ru
Valentin V. Berestov – National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow, Russia; vberestov97@gmail.com
Oleg I. Kan – National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow, Russia; m2106915@edu.misis.ru
Ivan A. Maslochenko – National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow, Russia; maslochenko3@mail.ru
Tatyana L. Lepkova – National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow, Russia; lepkova.tl@misis.ru
Svetlana V. Stakhanova – National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow; Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia; stakhanova.s.v@muctr.ru
Corresponding author: N. K. Thach, nguyenkienthach@gmail.com
DOI 10.17586/2220-8054-2023-14-4-489-497
ABSTRACT Ultrahigh porosity activated carbon (AC) was made from H3PO4-impregnated waste cotton precursor by carbonization in Ar and physical activation in variable CO2 flow rate with ultrahigh heating rate. The presence of CO2 in the activation plays an important role in the formation of the porous structure of AC. The obtained AC had outstanding physical and electrochemical properties. The specific surface area and micropore volume of AC reached 4800.7 m2/g and 2.499 cm3/g, respectively. The pore size distribution was mainly in the microporous region. The electrochemical double-layer capacitors (EDLCs) with AC-based active electrode and an electrolyte solution of 1 M 1,1-dimethylpyrrolidinium tetrafluoroborate in acetonitrile were fabricated. The specific capacitance of electrode material degraded less than 10 % with the highest value of 105.7 F/g at 0.05 A/g as the specific current varied from 0.05 A/g – 15 A/g. After 8000 charge-discharge cycles at 1 A/g, the specific capacitance of the AC-base electrode material fabricated at CO2 flow rate greater than 200 ml/min degraded less than 15 % with the highest value of 101.2 F/g. The optimal CO2 flow rate for fabricating waste cotton-based AC is 200 ml/min.
KEYWORDS activated carbon, porous activated carbon, cellulose, waste cotton, supercapacitor.
ACKNOWLEDGEMENTS The authors would like to thank Dr. Alexey Igoreevich Salimon, Dean of the Department of Physical Chemistry, the College of New Materials and Nanotechnologies, the University of Science and Technology “MISiS”, Moscow, Russia, for valuable recommendations on the content of the article. The authors would also like to thank The Hierarchically Structured Materials Lab, Center for Digital Engineering, Skoltech, Moscow, Russia, for helping us to conduct the BET and SEM measurements.
FOR CITATION Thach N.K., Krechetov I.S., Berestov V.V., Kan O.I., Maslochenko I.A., Lepkova T.L., Stakhanova S.V. The role and effect of CO2 flow rate on the structure formation of ultrahigh porous activated carbon from H3PO4-impregnated waste cotton used as supercapacitor electrode material. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (4), 489–497.
[In Russian] Н.К. Тхач, И.С. Кречетов, В.В. Берестов, О.И. Кан, И.В. Маслоченко, Т.Л. Лепкова, С.В. Стаханова
Роль и влияние расхода СО2 на структурообразование сверхвысокопористого активированного угля из хлопковых отходов, пропитанных H3PO4, используемого в качестве электродного материала суперконденсатора
АННОТАЦИЯ Активированный уголь сверхвысокой пористости (АУ) был изготовлен из пропитанной H3PO4 отходов хлопка путем карбонизации в атмосфере аргона и физической активации в атмосфере CO2 с регулируемой скоростью потока и чрезвычайно высокой скоростью нагрева для обоих процессов до 585 °/мин и 751 °/мин соответственно. Наличие СО2 в процессе активации играет важную роль в формировании пористой структуры АУ. Полученный АУ представлял собой аморфный углерод и обладал выдающимися физическими и электрохимическими свойствами. Удельная поверхность и объем микропор АУ для образца СТ4 достигали 4800,7 м2/г и 2,499 см3/г соответственно. Распределение пор в АУ по размерам было в основном в микропористой области. Изготовлены электрические двойнослойные конденсаторы (ЭДСК) с активным электродом на основе переменного тока и раствором электролита 1 М тетрафторбората 1,1-диметилпирролидиния (DMP·BF4) в ацетонитриле (ACN). Электродный материал обладал высокой стабильностью и хорошими электрохимическими обратимыми свойствами. Удельная емкость материала электрода ухудшилась менее чем на 10 % с максимальным значением 105,7 Ф/г при 0,05 А/г при изменении удельного тока от 0,05 А/г до 15 А/г. После 8000 циклов заряда-разряда при плотности тока 1 А/г удельная емкость электродного материала на основе переменного тока, изготовленного при расходе СО2 более 200 мл/мин, ухудшилась менее чем на 15 % с максимальным значением 101,2 Ф/мин. грамм. Оптимальный расход СО2 для изготовления АУ на основе хлопка из отходов составляет 200 мл/мин. Полученный АУ может быть использован в качестве электродного материала для высокоэффективных суперконденсаторов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА активированный уголь, пористый активированный уголь, целлюлоза, макулатура, суперконденсатор, ацетонитрил, тетрафторборат 1,1-диметилпирролидиния
