ホンダワラ由来活性炭の細孔構造制御に関する研究とスーパーキャパシタへの応用

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10106 (2022) この記事を引用

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活性炭の細孔構造の効果的な制御を実現し、電極材料としての細孔構造特性を最適化するために、活性炭の比表面積、総細孔容積、平均細孔直径に対する活性化温度、活性化時間、含浸率の影響が考慮されます。ホンダワラによって調製された炭素は直交実験によって研究されています。 さらに、ホンダワラ系活性炭 (SAC) の電気化学的特性、および SAC の重量静電容量と比表面積の関係も研究されています。 すべての条件で調製されたSACは、高い比表面積（≧2227 m2 g−1）と発達した細孔構造を有し、ミクロ細孔の細孔直径は主に0.4〜0.8 nmに集中し、メソ細孔の細孔直径は主に3〜4 nmに集中しました。 nmであり、ミクロ細孔の数はメソ細孔の数よりもはるかに多くなります。 活性化プロセスでは、含浸率がSACの比表面積に最も大きな影響を及ぼし、活性化温度と含浸率がSACの全細孔容積に大きな影響を及ぼし、SACの平均細孔径の制御が主に実現されます。活性化温度を調整することによって。 SAC は、スーパーキャパシタ上で典型的な電気二重層静電容量性能を示し、電流密度 0.5 A g-1 で 6 mol L-1 KOH 電解質系で 237.3 F g-1 の優れた重量静電容量と、92% の静電容量保持の優れたサイクル安定性を実現します。 10,000サイクル後。 SAC の重量静電容量と比表面積の間に良好な線形関係が観察されます。

石炭、石油、天然ガスなどの従来の化石燃料の消費量が継続的に増加することで、エネルギー危機と環境汚染がますます深刻になり、再生可能なクリーン エネルギーに対する世界の需要が高まっています1、2、3。 太陽エネルギー、風力エネルギー、海洋エネルギーなどの再生可能クリーンエネルギーの利用が近年急速に進んでいます。 これらの再生可能エネルギー源には、断続性や不安定性などの欠点があるため、その用途が大幅に制限されます。 これらの再生可能クリーンエネルギー源4によって生成された電力を最大限に活用するには、効率的なエネルギー貯蔵システムを確立する必要があります。 有望なエネルギー貯蔵デバイスとして、リチウムまたはその他の金属イオン電池、燃料電池、スーパーキャパシタが多くの注目を集めており、顕著な研究成果が得られています5、6、7、8。 エネルギー貯蔵メカニズムに従って、スーパーキャパシタは擬似キャパシタと電気二重層キャパシタ (EDLC) に分類されます 3,9。 EDLC は、その静電エネルギー貯蔵メカニズムにより、高出力アプリケーションにおいて最も競争力があると考えられています。 また、急速な充放電速度、長いサイクル寿命、軽量、幅広い使用温度範囲、環境への優しさなどの特徴もあります10、11、12。 EDLC の電気化学的性能は主に電極材料によって決まるため、通常、EDLC の電気化学的性能を大幅に向上させるには、新しい電極材料の探索と、細孔構造特性を含む電極材料特性の改善が選択されます 13、14、15、16。

電気二重層のエネルギー貯蔵機構により、EDLCの電気容量は分極電極の電気二重層に蓄積された電荷に依存します。 電極材料の蓄積電荷は、主に電極と電解質の間の界面で発生します。 EDLC がより多くの電荷を蓄積できるように、電解質イオンがアクセスできる極めて大きな表面積を電極材料に持たせる必要があります 17、18、19、20。 活性炭、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンエアロゲルなどの比表面積の高い炭素系材料が、EDLC 用の電極材料の主な選択対象となっています 21、22、23。 中でも、活性炭は、その豊富な原料、成熟した調製方法、低コスト、無毒性により、EDLC に最も広く使用される電極材料となっています 24,25。