Gamma

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12887 (2023) Citer cet article

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Des charbons actifs (AC) ont été développés à partir du pétiole de palmier via une nouvelle méthode écologique composée de carbonisation hydrothermale de H2SO4 hautement diluée et de pyrolyse activant le KOH à faible concentration suivie d'une modification de surface induite par les rayons gamma dans un environnement oxydant NaNO3. Les carbones graphitiques préparés ont ensuite été utilisés comme matériau actif pour les électrodes des supercondensateurs. Les propriétés physicochimiques des AC ont été caractérisées à l'aide d'un microscope électronique à balayage à émission de champ – spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie, isothermes d'adsorption / désorption de N2 avec analyse de surface Brunauer – Emmett – Teller, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, diffraction des rayons X et spectroscopie Raman. Les performances électrochimiques des électrodes fabriquées ont été étudiées par voltamétrie cyclique, charge-décharge galvanostatique et spectroscopie d'impédance électrochimique. Même traité avec une concentration extrêmement faible de H2SO4 et un faible rapport KOH:hydrochar, le SBET maximum de 1 365 m2 g−1 pour un AC a été obtenu après irradiation gamma. Cela a été attribué à la formation de réseaux interconnectés induits par les rayonnements générant des micropores dans la structure du matériau. Les électrodes du supercondensateur présentaient une capacité électrique à double couche donnant la capacité spécifique la plus élevée de 309 F g−1 ainsi qu'une excellente stabilité de cycle sur 10 000 cycles. Les résultats prometteurs garantissent fortement une forte possibilité d’application de la méthode respectueuse de l’environnement dans la production de matériaux pour supercondensateurs.

Récemment, les énergies fossiles sont devenues moins attractives en raison de leur approvisionnement énergétique limité à long terme et des problèmes environnementaux. D’un autre côté, les énergies alternatives sont de plus en plus prises en compte pour garantir la durabilité et un environnement propre. Quelles que soient les sources d’énergie, tout traitement d’énergie renouvelable nécessite un système de stockage d’énergie (ESS) stable et fiable. Une attention considérable a été attirée sur les supercondensateurs car ils offrent une stabilité élevée, une capacité de charge rapide et une large température de fonctionnement. Cette classe de dispositifs de stockage d'énergie présente également une densité de puissance élevée avec une efficacité énergétique allant jusqu'à 98 %1. Contrairement aux condensateurs diélectriques solides traditionnels, la capacité totale des supercondensateurs repose essentiellement sur la capacité électrique double couche (EDLC) et la pseudocapacité électrochimique. En fait, la valeur de capacité d'un supercondensateur est influencée par plusieurs facteurs, à savoir la surface spécifique, la structure des pores, la conductivité électrique et la fonctionnalité de surface des électrodes. Les EDLC fournissent normalement une surface spécifique supérieure à 500 m2 g−1, ce qui conduit à une capacité spécifique beaucoup plus élevée que celle des condensateurs conventionnels. La réversibilité rapide de l’accumulation de charge dans les EDLC permet également d’achever le cycle de charge/décharge en quelques secondes2. Contrairement aux batteries rechargeables dont la durée de vie cyclique est raccourcie après un certain nombre de processus de charge/décharge basés sur des réactions chimiques, les EDLC peuvent conserver une structure d'électrode exceptionnelle et une capacité élevée même après des millions de cycles de fonctionnement3. Malheureusement, les EDLC disponibles dans le commerce souffrent encore d’une densité énergétique bien inférieure (< 10 Wh kg−1) par rapport à celle des batteries (35 à 40 Wh kg−1)4. En fait, la densité d’énergie et la capacité totale d’un supercondensateur peuvent être améliorées en introduisant un mécanisme supplémentaire de stockage et de transfert de charge, appelé pseudo-capacité, dans le matériau de l’électrode. Le mécanisme se déroule par des réactions d’oxydo-réduction rapides et réversibles à l’interface électrode/électrolyte et dans le matériau de l’électrode en vrac. En d’autres termes, ce processus faradique contribue à réduire l’écart énergétique entre les EDLC et les batteries5,6. Les comportements pseudocapacitifs dans les SC sont principalement régis par la présence de groupes fonctionnels contenant des hétéroatomes à la surface de l'électrode. Les oxydes métalliques, les nitrures métalliques et les polymères conducteurs sont les matériaux les plus largement utilisés dans les électrodes des pseudocondensateurs. Le processus de production nécessite cependant des procédures complexes en combinaison avec un certain nombre de substances toxiques, posant ainsi des risques environnementaux5.