Investigation of the effect of carbonization temperature of plant biomass on the electrochemical properties of carbon material

Н.Я. Іванічок; О.М. Іванічок; І.М. Будзуляк; П.І. Колковський; Б.І. Рачій; О.А. Вишневський; Д.С. Борчук; І.І. Іванів; А.М. Солтис

doi:10.15330/pcss.25.1.57-64

Автор(и)

Н.Я. Іванічок Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
О.М. Іванічок Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
І.М. Будзуляк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
П.І. Колковський Інститут загальної та неорганічної хімії імені В.І. Вернадського НАН України, Київ, Україна
Б.І. Рачій Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
О.А. Вишневський Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення імені М.П. Семененка НАН України, Київ, Україна
Д.С. Борчук Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
І.І. Іванів Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
А.М. Солтис Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.57-64

Ключові слова:

пористий вуглецевий матеріал, суперконденсатор, циклічна вольтамперометрія, питома ємність

Анотація

Змінюючи температуру карбонізації рослинної біомаси, а саме шкарлупи волоських горіхів, отримано пористі вуглецеві матеріали (ПВМ) з різним розподілом пор за розміром та величиною питомої площі поверхні до 250 м²/г. На основі отриманих вуглецевих матеріалів сформовано електроди електрохімічних суперконденсаторів. Методами циклічної вольтамперометрії та гальваностатичного заряду-розряду вивчено електрохімічну поведінку даних ПВМ у 33 % водному розчині KOH та визначено значення їх питомої електроємності. Методом імпедансної спектроскопії досліджено фізикохімічні процеси, що відбуваються на межі розділу вуглецевий електрод/електроліт.

Посилання

C. Vix-Guterl, E. Frackowiak, K. Jurewicz, M. Friebe, J. Parmentier, F. Beguin, Electrochemical energy storage in ordered porous carbon materials, Carbon, 43, 1293 (2005); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.12.028.

R. Kot，M. Carlen, Principle and application of electrochemical capacitors, Electrochimica Acta, 54, 2483 (2000); https://doi.org/10.1016/S0013-4686(00)00354-6.

Y. Starchuk, N. Ivanichok, I. Budzulyak, S-V. Sklepova, O. Popovych, P. Kolkovskyi, B. Rachiy, Electrochemical properties of nanoporous carbon material subjected to multiple chemical activation, Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, 30(9), 936 (2022); https://doi.org/10.1080/1536383X.2022.2043285.

W. L. Zhang, J. H. Xu, D. X. Hou, J. Yin, D. B. Liu, Y. P. He, H. B. Lin, Hierarchical porous carbon prepared from biomass through a facile method for supercapacitor applications, Journal of Colloid and Interface Science, 530, 338 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.06.076.

B. K. Ostafiychuk, N. Ya. Ivanichok, S.-V. Sklepova, O. M. Ivanichok, V. O. Kotsyubynsky, P. I. Kolkovskyy, I. M. Budzulyak, R. P. Lisovskiy, Influence of plant biomass activation conditions on the structure and electrochemical properties of nanoporous carbon material, Materials Today: Proceedings, 62, 5712 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.486.

M. Liu, F. Wei, X. Yang, S. Dong, Y. Li, X. He, Synthesis of porous graphene-like carbon materials for high-performance supercapacitors from petroleum pitch using nano-CaCO3 as a template, New Carbon Materials, 33, 316 (2018); https://doi.org/10.1016/S1872-5805(18)60342-7.

V. I. Mandzyuk, I. F. Myronyuk, V. M. Sachko, I. M. Mykytyn, Template synthesis of mesoporous carbon materials for electrochemical capacitors, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 56, 93 (2020); https://doi.org/10.3103/S1068375520010123.

N. Ya. Ivanichok, O. M. Ivanichok, B. I. Rachiy, P. I. Kolkovskyi, I. M. Budzulyak, V. O. Kotsyubynsky, V. M. Boychuk, L. Z. Khrushch, Effect of the carbon ization temperature of plant biomass on the structure, surface condition and electrical conductive properties of carbon nanoporous material, Journal of Physical Studies, 25, 3801 (2021); https://doi.org/10.30970/jps.25.3801.

B. Dyatkin, N.C. Osti, A. Gallegos, Y. Zhang, E. Mamontov, P.T. Cummings, J.Wu, Y. Gogotsi, Electrolyte cation length influences electrosorption and dynamics in porous carbon supercapacitors, Electrochimical Acta, 283, 882 (2018); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.06.200.

S. Brunauer, P. H. Emmett, E. Teller, Adsorption of gases in multimolecular layers, Journal of the American Chemical Society, 60, 309 (1938); https://doi.org/10.1021/JA01269A023.

B. C. Lippens, J. H. de Boer, Studies on pore systems in catalysts: V. The t method, Journal of Catalysis, 4, 319(1965); https://doi.org/10.1016/0021-9517(65)90307-6.

R. Evans, U. Marconi, P. Tarazona, Capillary condensation and adsorption in cylindrical and slit-like pores, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions II, 82, 1763 (1986); https://doi.org/10.1039/F29868201763

O. Terasaki, Electron Microscopy Studies in Molecular Sieve Science, Structures and Structure Determination, 2, 71 (1999); https://doi.org/10.1007/3-540-69749-7.

M. Thommes, K. Kaneko, A.V. Neimark, J.P. Olivier, R. Francisco, J. Rouquerol, K. S. W. Sing, Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report), Pure and Applied Chemistry, 87, 1051 (2015); https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117.

S.-V. Sklepova, N. Ivanichok, P. Kolkovskyi, V. Kotsyubynsky, V. Boychuk, B. Rachiy, A. Uhrynski, M. Bembenek, L. Ropyak, Porous Structure and Fractal Dimensions of Activated Carbon Prepared from Waste Coffee Grounds, Materials, 16(18), 6127 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16186127.

J. K. McDonough, A. I. Frolov, V. Presser, J. Niu, C. H. Miller, T. Ubieto, M. V. Fedorov, Y. Gogotsi, Influence of the structure of carbon onions on their electrochemical performance in supercapacitor electrodes; Carbon, 50, 3298 (2012); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.12.022.

S. Ardizzone, G. Fregonara, S. Trasatti, “Inner” and “outer” active surface of RuO2 electrodes, Electrochimica Acta, 35, 263 (1990); https://doi.org/10.1016/0013-4686(90)85068-X.

P. Kurzweil, The 12-th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices (Deerfield Beach. Florida (USA), 2004), pp. 18-32.

K. Tоnurist, I. Vaas, T. Thomberg, A. Jänes, H. Kurig, T. Romann, E. Lust, Application of multistep electrospinning method for preparation of electrical double-layer capacitor half-cells, Electrochim. Acta, 119, 72 (2014); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.11.155.

J. Li, X. D. Zhao, Preparation and Electrochemical Characterization of an Activated Carbon Material of High Surface Area for Supercapacitor, Advanced Materials Research, 463-464, 410 (2012); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.463-464.410.