Gamma

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12887 (2023) Citare questo articolo

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I carboni attivi (AC) sono stati sviluppati dal picciolo di palma tramite un nuovo metodo ecologico composto da carbonizzazione idrotermale H2SO4 altamente diluita e pirolisi attivante KOH a bassa concentrazione seguita da modificazione superficiale indotta da raggi gamma in ambiente ossidante NaNO3. I carboni grafitici preparati sono stati successivamente utilizzati come materiale attivo per gli elettrodi dei supercondensatori. Le proprietà fisico-chimiche degli AC sono state caratterizzate utilizzando il microscopio elettronico a scansione a emissione di campo – spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, isoterme di adsorbimento/desorbimento di N2 con analisi dell'area superficiale di Brunauer-Emmett-Teller, spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier, diffrazione di raggi X e spettroscopia Raman. Le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi fabbricati sono state studiate mediante voltammetria ciclica, carica-scarica galvanostatica e spettroscopia di impedenza elettrochimica. Anche trattato con una concentrazione di H2SO4 estremamente bassa e un rapporto KOH:idrochar ridotto, dopo l’irradiazione gamma è stato ottenuto il SBET massimo di 1365 m2 g−1 per un AC. Ciò è stato attribuito alla formazione di reti interconnesse indotte dalle radiazioni che generano micropori all'interno della struttura del materiale. Gli elettrodi del supercondensatore hanno mostrato una capacità elettrica a doppio strato che fornisce la capacità specifica più alta di 309 F g−1 nonché un'eccellente stabilità del ciclo entro 10.000 cicli. I risultati promettenti garantiscono fortemente un'elevata possibilità di applicazione del metodo ecocompatibile nella produzione di materiali per supercondensatori.

Recentemente l’energia fossile è diventata meno attraente a causa del suo limitato approvvigionamento energetico a lungo termine e delle questioni ambientali. D’altra parte, l’energia alternativa è stata presa sempre più in considerazione per garantire la sostenibilità e un ambiente pulito. Indipendentemente dalle fonti energetiche, tutta la lavorazione dell’energia rinnovabile richiede un sistema di accumulo dell’energia stabile e affidabile (ESS). Notevole attenzione è stata rivolta ai supercondensatori poiché offrono elevata stabilità, capacità di ricarica rapida e un'ampia temperatura operativa. Questa classe di dispositivi di accumulo dell'energia presenta anche un'elevata densità di potenza con un'efficienza energetica fino al 98%1. A differenza dei tradizionali condensatori dielettrici solidi, la capacità totale dei supercondensatori si basa essenzialmente sulla capacità elettrica a doppio strato (EDLC) e sulla pseudocapacità elettrochimica. Infatti, il valore di capacità di un supercondensatore è influenzato da diversi fattori, ovvero area superficiale specifica, struttura dei pori, conduttività elettrica e funzionalità superficiale degli elettrodi. Gli EDLC normalmente forniscono un'area superficiale specifica maggiore di 500 m2 g−1 che porta a una capacità specifica molto più elevata rispetto a quella dei condensatori convenzionali. La rapida reversibilità dell'accumulo di carica negli EDLC consente inoltre il completamento del ciclo di carica/scarica in pochi secondi2. A differenza delle batterie ricaricabili, la cui vita ciclica è ridotta dopo una serie di processi di carica/scarica basati su reazioni chimiche, gli EDLC possono mantenere un'eccezionale struttura degli elettrodi e un'elevata capacità anche dopo milioni di cicli operativi3. Sfortunatamente gli EDLC disponibili in commercio soffrono ancora di una densità energetica molto inferiore (< 10 Wh kg−1) rispetto a quelle delle batterie (35–40 Wh kg−1)4. Infatti, la densità di energia e la capacità totale di un supercondensatore possono essere migliorate introducendo un meccanismo aggiuntivo di accumulo-trasferimento di carica, la cosiddetta pseudocapacità, nel materiale dell'elettrodo. Il meccanismo avviene attraverso reazioni di ossidoriduzione rapide e reversibili all’interfaccia elettrodo/elettrolita e nel materiale dell’elettrodo sfuso. In altre parole, questo processo faradaico aiuta a ridurre il divario energetico tra EDLC e batterie5,6. I comportamenti pseudocapacitivi nelle SC sono principalmente governati dalla presenza di gruppi funzionali contenenti eteroatomi sulla superficie dell'elettrodo. Ossidi metallici, nitruri metallici e polimeri conduttori sono i materiali più utilizzati negli elettrodi pseudocondensatori. Il processo di produzione richiede tuttavia procedure complesse in combinazione con una serie di sostanze tossiche, comportando quindi rischi ambientali5.