Development of High Perfomance Supercapacitor using Microwave-assisted Modification of Activated Carbon

Abstract

In this research, carbon powder synthesized from palm shell biomass was prepared by carbonization followed by a surface modification process by microwave reflux in concentrated mixed acid for 15 minutes. The basic properties of the produced carbon have been studied using various techniques, such as X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy (Raman), scanning electron microscope (SEM), nitrogen adsorption-desorption isotherms, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), water contact angle (WCA). Electrochemical performance of the material was studied by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results of XRD showed that the carbon powder had the crystal structure of hexagonal graphite as the main phase. According to the SEM technique, it was seen that the produced carbon had the porous structure. After accessing the carbonization and microwave reflux, it was found that the porosity was increased with a uniform pore size distribution. The sample prepared by carbonization at 800 °C with improved surface area by microwave reflux in a mixed acid for 15 min (PK800M15) showed the highest porosity with a specific surface area of 1,837 m2/g. The mean pore size and pore volume were 2.86 nm and 1.09 cm3/g, respectively. The results of Raman analysis showed that the ID/IG ratio of PK800M15 was 1.01, indicating that under appropriate activation conditions, the proportion of sp2 carbon structure was higher than the sp3 disordered carbon structure. Considering the FT-IR spectra, the results indicated that the functional groups formed in the activated sample were C-O stretching and C=O bending. When compared to the XPS surface chemistry analysis of the sample carbonized at 800 °C (PK800), it was found that the microwave-assisted reflux treatment affected the increased formation of oxygen functional groups, corresponding to an increase in oxygen content from 21.37 to 29.22 at.%. This finding agrees well with the results of the FT-IR analysis. From the results it was expected that increasing the oxygen content on the carbon surface would lead to an increase in hydrophilicity. This strategy was confirmed by the decrease in the water contact angle of the PK800M15 carbon film compared to the PK800 sample. Examination of the electrochemical properties of a supercapacitor electrode in a three-electrode system revealed that the fabricated electrode was an EDLC-type supercapacitor with a specific capacitance of 182.33 F/g at a current density of 1 A/g. With the EIS technique, the total resistance was 0.88 Ω with Rs and Rct values of 0.72 and 0.16 Ω, respectively. The electrodes made from PK800M15 had an energy density and power density of 20.26 Wh/kg and 1984.05 W/kg. The retention of the electrodes with continuous charging/discharging for 5000 cycles at 5 A/g was performed, it was found that the electrodes could reach an energy efficiency of 89.01%. As a result, it can be concluded that the use of palm shell biomass as a raw material and microwave reflux surface treatment resulted in obtaining activated carbon powder with good structural and surface properties for application in fabrication as supercapacitor electrode and sustainable for further use.

งานวิจัยนี้ได้ทำการเตรียมผงคาร์บอนที่สังเคราะห์จากชีวมวลกะลาตาลด้วยวิธีคาร์บอไนเซชัน และปรับปรุงพื้นที่ผิวด้วยกระบวนการไมโครเวฟรีฟลักซ์ในกรดผสมเข้มข้นเป็นเวลา 15 นาที สมบัติพื้นฐานของคาร์บอนที่เตรียมได้ถูกตรวจสอบด้วยเทคนิคต่าง ๆ ได้แก่ เทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) เทคนิครามานสเปกโทรสโกปี (Raman) ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) เทคนิคการดูดซับและคายก๊าซไนโตรเจน เทคนิคฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มอินฟาเรดสเปกโทรสโกปี (FT-IR) เทคนิควิเคราะห์ธาตุและองค์ประกอบทางเคมีบริเวณพื้นผิวของวัสดุ (XPS) เทคนิคการวิเคราะห์มุมสัมผัสของน้ำ (WCA) ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าถูกตรวจสอบด้วยเทคนิคไซคลิกโวลแทมเมททรี (CV) เทคนิคกัลวานอสแตติกชาร์จ-ดิสชาร์จ (GCD) และอิเลคโทรเคมิคอลอิมพีแดนซ์สเปกโทรสโคปี (EIS) จากผลการศึกษาด้วยเทคนิค XRD พบว่าผงคาร์บอนมีองค์ประกอบโครงสร้างผลึกแบบเฮกซะโกนอลของแกรไฟต์เป็นส่วนหลัก ผลการศึกษาด้วยเทคนิค SEM แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างทางจุลภาคของคาร์บอนที่เตรียมได้มีความพรุนตัวเพิ่มขึ้นภายหลังจากผ่านกระบวนการคาร์บอไนเซชันและไมโครเวฟรีฟลักซ์โดยมีการกระจายของรูพรุนอย่างสม่ำเสมอ โดยสารตัวอย่างวิธีคาร์บอไนเซชันที่ 800 °C และปรับปรุงพื้นที่ผิวด้วยกระบวนการไมโครเวฟรีฟลักซ์ในกรดผสมเข้มข้นเป็นเวลา 15 นาที (PK800M15) มีความพรุนตัวสูงสุด ปริมาณพื้นที่ผิวจำเพาะ 1,837 ตารางเมตรต่อกรัม ขนาดรูพรุนเฉลี่ยและปริมาตรของรูพรุนอยู่ที่ 2.86 นาโนเมตร และ 1.09 ลูกบาศเซนติเมตรต่อกรัม ตามลำดับ ผลการศึกษาด้วยเทคนิค Raman พบว่าปริมาณสัดส่วนของ ID/IG ของสารตัวอย่าง PK800M15 เท่ากับ 1.01 ซึ่งแสดงให้เห็นสัดส่วนโครงสร้างของสาร์บอนแบบ sp2 ที่สูงกว่าโครงสร้างแบบ sp3 ของคาร์บอนไม่เป็นระเบียบเมื่อผ่านกระบวนการก่อกัมมันต์ที่เหมาะสม ผลจากการศึกษาด้วยเทคนิค FT-IR พบว่ามีหมู่ฟังก์ชันแบบ C-O stretching และ C=O bending เกิดขึ้นในสารตัวอย่าง เมื่อเปรียบเทียบผลการวิเคราะห์องค์ประกอบเคมีเชิงพื้นผิวด้วยเทคนิค XPS ระหว่างคาร์บอนที่ผ่านการคาร์บอไนเซชันที่ 800 °C (PK800) พบว่าสารตัวอย่างที่ผ่านกระบวนการไมโครเวฟรีฟลักซ์มีปริมาณธาตุออกซิเจนเพิ่มสูงขึ้นจากร้อยละ 21.37 ไปเป็น 29.22 โดยอะตอม ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดสอบเทคนิค FT-IR การเพิ่มขึ้นของออกซิเจนบนพื้นผิวคาร์บอน ส่งผลให้เกิดสมบัติตวามชอบน้ำเพิ่มขึ้นซึ่งยืนยันได้จากการลดลงของมุมสัมผัสของน้ำของฟิล์มคาร์บอนชนิด PK800M15

ผลการศึกษาสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวดในระบบสามขั้ว ชี้ว่าขั้วไฟฟ้าที่ประดิษฐ์ขึ้นเป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวดชนิด EDLC ที่มีค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะจากเทคนิค GCD เท่ากับ 182.33 ฟารัดต่อกรัม ที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ต่อกรัม ผลการศึกษาด้วยเทคนิค EIS พบว่ามีค่าความต้านทานรวมเท่ากับ 0.88 โอห์ม โดยมีค่า Rs และ Rct เท่ากับ 0.72 โอห์ม และ 0.16 โอห์ม ขั้วไฟฟ้าที่เตรียมจากคาร์บอนชนิด PK800M15 มีค่าความหนาแน่นพลังงานและความหนาแน่นกำลังเท่ากับ 20.26 วัตต์ ชั่วโมงต่อกิโลกรัม และ 1984.05 วัตต์ต่อกิโลกรัม เมื่อทดสอบความทนทานของขั้วไฟฟ้าผงคาร์บอนโดยการอัด-คายประจุต่อเนื่อง 5,000 รอบ ที่ความหนาแน่นกระแส 5 แอมแปร์ต่อกรัม พบว่าขั้วไฟฟ้าสามารถรักษาประสิทธิภาพได้สูงถึงร้อยละ 89.01 จากผลการศึกษาทั้งหมดชี้ให้เห็นว่าการใช้ชีวมวลกะลาตาลเป็นวัตถุดิบและวิธีการปรับปรุงพื้นผิวด้วยกระบวนการไมโครเวฟรีฟลักซ์สามารถทำให้ได้ผงคาร์บอนที่มีสมบัติเชิงโครงสร้างและพื้นผิวที่ดี เพื่อนำไปใช้ในการประดิษฐ์เป็นขั้วไฟฟ้าของตัวเก็บยิ่งยวดที่มีความคงทนสำหรับการนำไปใช้งานต่อไป