سنتز و خصوصیات کامپوزیت های کربن فعال شده با فریت منیزیم که از پوست پرتقال به دست می آید برای افزایش عملکرد ابرخازن

در طول تاریخ، تبدیل و ذخیره انرژی جایگاه برجسته ای در توسعه تمدن بشری داشته است. در عصر معاصر، آی‌پدها، تلفن‌های همراه و رایانه‌های شخصی دستگاه‌های الکترونیکی هستند که بر فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی، مانند باتری‌ها تکیه می‌کنند، که زندگی روزمره ما را بهبود می‌بخشد و دسترسی کارآمد به اطلاعات و ارتباطات را امکان‌پذیر می‌سازد 1 ، 2 . خازن های الکتروشیمیایی یا ابرخازن ها ( SCs)، به دلیل کارایی بالا، چگالی توان بالا، عمر چرخه طولانی، سازگاری با محیط زیست و ایمنی، پتانسیل فوق العاده ای برای ذخیره انرژی ارائه می دهند . این دستگاه‌ها در کاربردهای مختلف ، از جمله تولید برق انفجاری برای دستگاه‌های الکترونیکی، راه‌اندازی نیرو برای سلول‌های سوختی، عمل به عنوان منابع انرژی پشتیبان، و کمک به سیستم‌های قدرت هیبریدی، مفید بوده‌اند . با این وجود، پتانسیل آنها به عنوان راه حل های ذخیره انرژی تا حدودی توسط چگالی انرژی آنها محدود شده است. در نتیجه، توسعه کامپوزیت‌های الکترود که با ولتاژهای کاری بالا، ظرفیت‌های خازنی زیاد و عمر چرخه‌ای طولانی مشخص می‌شوند، برای پیشبرد ابرخازن‌ها به سمت چگالی انرژی بالاتر ضروری است . این دستگاه ها به شدت به مواد خاصی برای ذخیره انرژی خود متکی هستند، با گزینه های رایج مورد استفاده از جمله پلیمرهای رسانا، مواد کربنی و اکسیدهای فلزی 9 ، 10 . مواد کربنی در خازن های الکتریکی دو لایه (EDLC) استفاده می شود که فقط بارها را به صورت فیزیکی ذخیره می کنند. از سوی دیگر، اکسیدهای فلزی و پلیمرهای رسانا در شبه خازن‌ها استفاده می‌شوند که بارها را از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی ذخیره می‌کنند. شبه خازن ها ظرفیت های ویژه و چگالی انرژی بالاتری نسبت به EDLC ها دارند. گرافن، اکسیدهای گرافن 11 ، 12 ، نانوالیاف کربن، نانولوله های کربنی و کربن فعال 13 ، معمولاً به عنوان مواد الکترود در EDLC ها 14 ، 15 استفاده می شوند . با این حال، علیرغم برخورداری از برگشت پذیری بالا، پایداری، قابلیت سرعت عالی و سطح ویژه بالا، ابرخازن ها ظرفیت کمی از خود نشان می دهند 16 ، 17 ، 18 . در مقابل، اکسیدهای فلزات واسطه و پلیمرهای رسانا مانند NiO 19 ، 20 ، 21 ، ZnO 22 ، MnO 2 23 و Co 3 O 4 24 ، مواد اولیه الکترود در شبه خازن 25 ، 26 هستند.. اگرچه اکسیدهای فلزات واسطه ظرفیت بالایی از خود نشان دادند، اما گران، کمیاب و دارای قابلیت سرعت ضعیفی هستند. با این حال، با ترکیب این دو نوع ماده، می‌توانیم به قابلیت نرخ خوب ظرفیت خازنی بالاتر و پایداری دست یابیم .

در سال‌های اخیر، مواد مبتنی بر AC مشتق‌شده از منابع طبیعی به انتخابی محبوب برای الکترودهای ابرخازن تبدیل شده‌اند. این مواد مزایای مختلفی از جمله سهولت سنتز، فراوانی در طبیعت، هزینه کم و پایداری را ارائه می‌کنند . محصولات جانبی کشاورزی مانند پوسته نارگیل، تراشه‌های چوب، پوست پرتقال و بقایای بامبو به عنوان منابع فراوانی برای تولید کربن فعال عمل می‌کنند . فرآیند فعال سازی شامل حرارت دادن مواد خام در حضور گاز، معمولاً بخار یا دی اکسید کربن، برای ایجاد یک ساختار متخلخل است. کربن فعال حاصل از سطح بالایی، میکرو و مزوپورهای متعدد و قابلیت جذب عالی را نشان می‌دهد . این ویژگی ها آن را به یک ماده ایده آل برای استفاده در تصفیه آب 35 ، تصفیه هوا و دستگاه های ذخیره انرژی مانند ابرخازن ها تبدیل می کند . علاوه بر این، استفاده از ضایعات کشاورزی برای تولید کربن فعال به کاهش ضایعات کمک می کند و راه حلی پایدار از نظر زیست محیطی با مزایای اقتصادی ارائه می دهد . فرآیند انتقال الکترون در کربن‌های فعال در طول عملیات ابرخازن شامل جذب و دفع یون‌ها در سطح الکترود است. ساختار نانومتخلخل AC سطح قابل توجهی را ارائه می دهد که جذب یون ها را تسهیل می کند و چرخه های شارژ و تخلیه سریع را تسهیل می کند. با اعمال ولتاژ، یون ها به سطح متخلخل کربن فعال جذب می شوند که منجر به ذخیره انرژی الکتریکی به شکل بار می شود. متعاقباً در هنگام تخلیه، یون های ذخیره شده آزاد می شوند و در نتیجه جریان الکتریکی جریان می یابد. انتقال کارآمد الکترون در کربن‌های فعال به عملکرد بالا و آزادسازی سریع انرژی ضروری برای کاربردهای ابرخازن کمک می‌کند. علاوه بر این، ماهیت پایدار کربن فعال حاصل از ضایعات کشاورزی با تقاضای فزاینده برای راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی سازگار با محیط زیست همخوانی دارد. همانطور که جهان در حال بررسی جایگزین‌های انرژی پاک‌تر و پایدارتر است، استفاده از کربن فعال از منابع طبیعی در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی همچنان پتانسیل خود را در کمک به چشم‌انداز انرژی سبزتر و کارآمدتر نشان می‌دهد . در مطالعات اخیر، مواد هیبریدی مختلفی متشکل از کربن فعال و اکسیدهای سرامیکی برای ابرخازن‌ها ساخته شده‌اند .

کامپوزیت MgFe 2 O 4 از نوع اکسید سرامیکی a با سیستم کریستالی است که به صورت مکعبی 41 در مرکز قرار دارد . در ساختارهای اسپینل، پیکربندی معمولی شامل یون‌های دو ظرفیتی محصور شده توسط اکسیژن، تشکیل مکان‌های چهار وجهی، و یون‌های سه ظرفیتی احاطه‌شده توسط اکسیژن، ایجاد مکان‌های هشت‌وجهی است . با این حال، در مورد MgFe 2 O 4 ، این آرایش ساختاری به شدت رعایت نمی شود، در درجه اول به دلیل مسیر یا شرایط سنتز، که منجر به یک اسپینل تا حدی معکوس می شود. در این آرایش، یون‌های فلزی سه ظرفیتی تا حدی مکان‌های چهار وجهی را اشغال می‌کنند، و یون‌های دو ظرفیتی تا حدی مکان‌های هشت‌وجهی را اشغال می‌کنند ، در نتیجه بر خواص فیزیکوشیمیایی فریت تأثیر می‌گذارند . ماهیت کووالانسی پیوند منیزیم-اکسیژن باعث تحرک کم می شود، در حالی که آهن تحرک بالاتری را در ساختار MgFe 2 O 4 نشان می دهد 45 . کاربردهای متنوع نانوذرات فریت، به ویژه اسپینل MgFe 2 O 4 ، به دلیل خواص مغناطیسی منحصر به فرد آنها که کاربردهای بالقوه مختلفی مانند درمان سرطان 46 ، بیوسنسورها 47 ، ابرخازن ها 48 و فیلتراسیون آب را ارائه می دهد . MgFe 2 O 4 ، به دلیل ساختار اسپینل منحصر به فرد و خواص الکتریکی آن، یک نامزد جذاب برای کاربردهای ابرخازن ارائه می دهد. ماهیت سرامیکی MgFe 2 O 4 به پایداری آن کمک می کند، در حالی که ساختار اسپینل تا حدی معکوس خواص الکتروشیمیایی آن را افزایش می دهد. استفاده از MgFe 2 O 4 به عنوان یک ماده ابرخازن به دلیل پتانسیل آن برای ارائه ترکیبی از خازن بالا، پایداری و خواص مغناطیسی منحصر به فرد است که آن را به یک نامزد امیدوار کننده برای پیشرفت عملکرد دستگاه های ابرخازن تبدیل می کند. عتیق الرحمن و همکاران 50 نفر استفاده از فریت اسپینل نقره (AgFe 2 O 4 ) و کامپوزیت های آن AgFe 2 O 4 @ ZnO را برای کاربردهای ابرخازن گزارش کرده اند. آنها از کامپوزیت AgFe 2 O 4 @ 10% ZnO برای دستیابی به ظرفیت ویژه 585.9 F/g با چگالی توان 720 W/kg و چگالی انرژی 28 Wh/kg استفاده کردند. آلا منوهر و همکاران 51، کاربرد ابرخازن کامپوزیت Ni 0.35 Mg 0.65 Fe 2 O 4 را برای دستیابی به ظرفیت ویژه 119.04 F g -1 پیشنهاد کرده اند.در چگالی جریان 1 Ag -1 . آرون کومار و همکاران 52 استفاده از کامپوزیت‌های فریت‌های منگنز جایگزین‌شده با فلزات واسطه را برای کاربردهای ابرخازن گزارش کرده‌اند. آنها از نانوکامپوزیت کامپوزیت Mn 0.95 Zn 0.05 Fe 2 O 4 برای دستیابی به ظرفیت ویژه 829 F/g استفاده کردند. گیان سینگ و همکاران 53 کاربرد ابرخازن کامپوزیت های پلی آنیلین دوپ شده با فریت نیکل را برای دستیابی به ظرفیت ویژه 758 Fg -1 در نسبت مولی 1:1 برای PANI و الکترود فریت نیکل پیشنهاد کرده اند. ثابت شده است که بهبود سطح ویژه، هدایت و انتقال یون فریت ها با استفاده از روش های مصنوعی قابل پیش بینی چالش برانگیز است. غلبه بر این چالش ها شامل ترکیب مزایای دیگر مواد بسیار رسانا، مانند مواد مبتنی بر کربن، با فریت ها برای تولید کامپوزیت هایی است که با رسانایی فوق العاده و مساحت سطح بزرگ مشخص می شود.

در این مطالعه، ما یک رویکرد جدید برای پرداختن به چالش‌ها در فناوری ابرخازن با سنتز فریت‌های منیزیم (MgFe 2 O 4 ) پشتیبانی شده بر روی کربن فعال (AC) مشتق‌شده از پوست پرتقال (OP) از طریق یک روش هیدروترمال ساده ارائه می‌کنیم. این سنتز نوآورانه نه تنها یک مسیر کارآمد و مقیاس‌پذیر برای تولید مواد الکترود ارائه می‌دهد، بلکه با پایداری محیط‌زیست همسو می‌شود و از زباله‌های کشاورزی به عنوان یک منبع تجدیدپذیر استفاده می‌کند. انتخاب پوست پرتقال به عنوان ماده اولیه به دلیل فراوانی و وضعیت آنها به عنوان یک منبع زباله زیستی در دسترس است. تحقیقات ما شامل فرآیندی است که از فعال‌سازی شیمیایی KOH استفاده می‌کند و منجر به تشکیل یک ساختار متخلخل سه بعدی متصل به هم در ماده کربنی می‌شود. کامپوزیت‌های MgFe 2 O 4 @ AC با استفاده از تکنیک‌های مختلف، از جمله FTIR، XRD، TEM، SEM، EDX و تجزیه و تحلیل نقشه‌برداری، که درک جامعی از ویژگی‌های ساختاری و مورفولوژیکی آن‌ها ارائه می‌دهد، تحت یک توصیف دقیق قرار گرفتند. مهمتر از همه، عملکرد الکتروشیمیایی این کامپوزیت ها به طور سیستماتیک از طریق تکنیک های بار- تخلیه گالوانواستاتیک (GCD) و ولتامتری حلقوی (CV) مورد ارزیابی قرار گرفت.

مواد

کلرید آهن هیدراته (III) (FeCl 3 · 6H 2 O، > 98.0٪)، نیترات منیزیم هیدراته (Mg(NO 3 ) 2 · 6H 2 O، > 99.0٪)، هیدروکسید سدیم (NaOH، درجه تحلیلی)، اسید هیدروکلریک (HCL، 37٪، عیار تحلیلی)، و هیدروکسید پتاسیم (KOH، درجه تحلیلی) از Merck به دست آمد. پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF)، N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) و کربن بلک از آلفا ایسر تهیه شد. پوست پرتقال (OP) از مزرعه ای در استان دامیتا، مصر، بین اکتبر و دسامبر جمع آوری شد.

سنتز کربن فعال

پوست پرتقال به عنوان یک پیش ساز زباله زیستی برای فرمولاسیون AC به عنوان یک نسخه اصلاح شده از روش منتشر شده قبلی 28 و 35 انجام شد . پوست پرتقال در ابتدا با شستشو با آب مقطر تمیز می شد تا هرگونه ناخالصی و گرد و غبار از بین برود. پوسته ها به مدت 12 ساعت در دمای 120 درجه سانتیگراد خشک شدند. سپس پوسته های خشک به دست آمده در نسبت استوکیومتری 1:2 با هیدروکسید پتاسیم در دمای اتاق به مدت یک ساعت مخلوط شدند. سپس سوسپانسیون حاصل در دمای 80 درجه سانتی گراد تخلیه شد و جامد حاصل در طول شب در دمای 110 درجه سانتی گراد خشک شد. پودر حاصل در یک بوته چینی تحت جریان N 2 به مدت یک ساعت در دمای 600 درجه سانتیگراد کربنیزه شد. کربن فعال تولید شده (AC) به طور مکرر با استفاده از اسید هیدروکلریک (1.0 مولار) و آب دیونیزه شده خنثی شد تا اینکه PH فیلتره به 7 رسید. پس از آن، یک شبه در دمای 120 درجه سانتی گراد خشک شد. نسبت مولی استوکیومتری هیدروکسید پتاسیم به پوست پرتقال (2:1) و pH (7) محلول در حین هم زدن در طول فرآیند به دقت کنترل شد.

سنتز فریت های منیزیم و فریت های منیزیم @ AC

برای سنتز پودر فریت منیزیم، Mg(NO 3 ) 2 · 6H 2 O (0.512 g، 2 mmol) و FeCl 3 · 6H2 O (1.08 g، 4 mmol) در آب مقطر حل شده و به مدت 1 ساعت به شدت هم زده شدند. دمای 60 درجه سانتی گراد پس از 2 ساعت، هیدروکسید سدیم را قطره قطره ریخت تا PH مخلوط به 10 رسید. پس از آن، شستشو و فیلتراسیون کامل با اتانول و آب مقطر انجام شد. پس از آن، پودر خشک شده در دمای 550 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت در یک اتمسفر در هوای آزاد کلسینه شد. از سوی دیگر، برای تهیه محتویات وزنی مختلف فریت‌های منیزیمی که روی کربن فعال پشتیبانی می‌شوند با همین روش با استفاده از 2 گرم AC که در طی فرآیند هم زدن شدید اضافه شده بود، تهیه شد. نمونه‌های به‌دست‌آمده به‌ترتیب برای کربن فعال، فریت‌های منیزیم و ۲۵، ۴۵ و ۶۵ درصد وزنی فریت‌های منیزیمی که روی کربن فعال پشتیبانی می‌شوند، به‌عنوان AC، MF، MF25-AC، MF45-AC، و MF65-AC برچسب‌گذاری شدند.

تکنیک های شخصیت پردازی

تکنیک های تحلیلی مختلفی برای توصیف کربن فعال واقعی و اصلاح شده به کار گرفته شد. تجزیه و تحلیل FT-IR برای تشخیص گروه های عملکردی مختلف با استفاده از اسپکتروفتومتر MATTSON FT-IR-5000S انجام شد. بلورینگی و اندازه کریستالیت کامپوزیت های تهیه شده با استفاده از پراش سنج اشعه ایکس فیلیپس ارزیابی شد. معادله شرر برای تعیین اندازه کریستالیت (D) نانوذرات سنتز شده، همانطور که در معادله نشان داده شده است، استفاده شد. ( 1 ).

که در آن K، λ، و β به ترتیب ثابت‌های مربوط به شکل کریستال، طول موج پرتو ایکس و عرض پروفیل پیک پراش در نصف حداکثر ارتفاع هستند. همچنین، اندازه‌گیری جذب N2 در -196 درجه سانتیگراد برای تأیید سطح و قطر منافذ کامپوزیت‌های آماده‌شده با استفاده از ابزار BELSORP-mini II انجام شد. میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری برای نشان دادن مورفولوژی و اندازه متوسط ​​ذرات به ترتیب از طریق Jeol JSM-6510 و JEOL-JEM 2100 F استفاده شد. همچنین ترکیب شیمیایی آنها با استفاده از آنالیز EDX اندازه گیری شد.

اندازه گیری های الکتروشیمیایی

یک سیستم پیکربندی سه الکترود برای تجزیه و تحلیل عملکرد و پایداری مواد استفاده شد. الکترولیت مورد استفاده برای انجام ولتامتری حلقوی (CV) و اندازه‌گیری‌های بار- تخلیه گالوانیکی (GCD) محلول 2.0 مولار سولفات سدیم (Na2SO4 ) در آب بود. دوغاب الکترود کار شامل استیلن سیاه، PVDF و مواد فعال به ترتیب به نسبت های 80.0، 10.0 و 10.0 درصد وزنی بود 54 . این دوغاب روی یک ورق گرافیتی به ابعاد 1.0 سانتی متر مربع اعمال شد و متعاقباً در 80 درجه سانتی گراد در اجاق خشک شد. در آزمایشات الکتروشیمیایی، الکترود مرجع یک الکترود Ag-AgCl استاندارد و الکترود شمارنده استفاده شده یک سیم پلاتین است. تمام اندازه‌گیری‌ها، از جمله CV و GCD، در دمای اتاق با استفاده از ابزار Metrohm Auto Lab Potentiostat/Galvanostat انجام شد. در طول CV، سرعت اسکن از 5.0 تا 50.0 mV s -1 متغیر بود . در حالی که، GCD در 2.0 مولار Na 2 SO 4 آبی ، با چگالی جریان ویژه در محدوده 1.0 تا 20.0 mA cm -2 انجام شد . برای محاسبه ظرفیت الکترودهای آماده شده، از معادله بار- تخلیه گالوانوستاتیک (معادل  2 ) استفاده شد 55 :

که در آن t (ثانیه)، I (mA)، V (V) و m (g) زمان تخلیه، جریان تخلیه، V محدوده پنجره پتانسیل، و m جرم ماده فعال بارگذاری شده روی یک الکترود کار است.

پیکربندی سیستم الکترود دوگانه، همانطور که قبلاً توسط Toyoko Imae و همکاران بیان شد. 56 ، شامل اتصال الکترود مرجع و شمارنده به یک طرف سلول است، در حالی که حسگر و توان الکترود کار از طرف دیگر ایستگاه کاری الکتروشیمیایی متصل می شود. در این سیستم دو الکترود کامپوزیت که ممکن است ترکیبات مشابه یا متفاوتی داشته باشند در کاغذ صافی اشباع شده با الکترولیت محصور می شوند. در مرحله اول، الکترولیت را جذب و نگه می دارد و حضور آن را در سیستم تضمین می کند. در مرحله دوم، به عنوان یک مانع عمل می کند و دو الکترود کامپوزیت را از یکدیگر جدا می کند. الکترودهای ایجاد شده تحت آنالیز CV و GCD قرار گرفتند تا چگالی انرژی، چگالی توان و ظرفیت ویژه را از معادلات 57 و 58 تعیین کنند :

طیف FTIR

طیف FTIR کامپوزیت ها در شکل  1 نشان داده شده است . شکل  1 a نشان می دهد که تمام نوارها به ساختار کربن فعال خالص نسبت داده می شود. یک باند گسترده در حدود نمایش داده شد. 3398 cm -1 که به ارتعاشات کششی گروه های هیدروکسیل (OH) در مولکول های آب جذب شده روی سطح یا درون منافذ کربن فعال (AC) مرتبط است. همچنین، قله های ضعیف در حدود 3000 و 2950 سانتی متر -1 در طیف IR را می توان به ارتعاشات کششی C-H نسبت داد. به طور خاص، اوج در حدود 3000 سانتی متر -1 مربوط به ارتعاشات کششی پیوندهای C-H در هیدروکربن های آلیفاتیک است، در حالی که قله نزدیک به 2950 سانتی متر -1 با کشش C-H در متیل ( CH3 ) و متیلن (CH2 ) مرتبط است. گروه ها. وجود این پیک ها نشان دهنده ماهیت آلی ماده پیش ساز مورد استفاده در سنتز کربن فعال و مشتقات آن است. این ارتعاشات کششی C-H معمولاً در مواد کربنی مشتق شده از زیست توده ، مانند کربن فعال مشتق شده از منابع طبیعی، مشاهده می شود . علاوه بر این ، وجود یک پیک مشاهده شده در 1631 سانتی‌متر ممکن است با ارتعاشات خمشی OH در مولکول‌های آب جذب‌شده یا کشش C=O در اسیدهای کربوکسیلیک همراه باشد . پیک های اضافی مشاهده شده در 2316 و 2044 سانتی متر -1 به ترتیب به ارتعاشات کششی C=C و C=N اختصاص داده شده اند . در حالی که اوج در 1437 سانتی متر -1 مربوط به ارتعاشات خمشی C-H بود، هم متقارن و هم نامتقارن 65 . قله تیز دیگری نیز در 1036 سانتی متر -1 دیده شد که به ارتعاشات کششی C-H خارج از صفحه 66 اختصاص داشت . روش دیگر، طیف FTIR فریت منیزیم پشتیبانی شده در AC در شکل  1 (b-d) نشان داده شد. شکل دو باند اصلی در عدد موج در مرکز 576 و 427 سانتی متر -1 است . اعداد موج مرتبط با MgFe2O4 به دو باند فرکانسی ν1 و ν2 اختصاص داده شدند که به ترتیب مربوط به مکان های چهار وجهی و هشت وجهی در ساختار اسپینل 67 بودند . شدت هر دو باند با افزایش محتوای فریت افزایش یافت و به حداکثر مقدار خود در MF65-AC رسید.

الگوی پراش اشعه ایکس (XRD)

الگوهای XRD بر روی کربن فعال اصلاح نشده و اصلاح شده همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است انجام شد  . الگوهای XRD کربن فعال (شکل  2 e) معمولاً دو قله گسترده را نشان می دهد که در اطراف 2θ برابر با 25 درجه و 48 درجه قرار دارند، که نشان دهنده ماهیت بی شکل آن است 32 . و همچنین، شکل  2 (a-d) الگوهای XRD فریت های منیزیم خالص و اصلاح شده را نشان می دهد که روی AC پشتیبانی می شوند. شکل نشان می دهد که قله های براگ تیز در 2Ɵ برابر با 30.47 درجه، 36.97 درجه، 37.08 درجه، 43.09 درجه، 53.09 درجه، 55.78 درجه و 63.05 درجه است که مربوط به صفحات کریستالی ساختار اسپینل مکعبی است (2120)، (400)، (420)، (511)، و (440)، به ترتیب 68 . شدت قله‌ها با رشد محتویات فریت‌های منیزیم، که نشان‌دهنده بهبود بلورینگی است، افزایش یافت. برای تعیین ثابت شبکه، می‌توان از روش‌هایی مانند آنالیز پراش اشعه ایکس، با استفاده از قانون براگ (nλ = 2d 220 sinθ) برای تفسیر الگوهای پراش استفاده کرد. در مطالعه ما، ثابت های شبکه ( ao  = 2d 220 /√3) برای نمونه های مختلف محاسبه شد: MF، MF25-AC، MF45-AC، و MF65-AC. مقادیر به دست آمده به ترتیب 5.5، 4.9، 5.2 و 5.4 Å هستند که تغییرات ظریف در ثابت های شبکه را در بین این مواد نشان می دهد. این مقادیر نشان دهنده فاصله بین اتمی در شبکه کریستالی است و بینش هایی را در مورد ویژگی های ساختاری هر نمونه ارائه می دهد. همچنین، اندازه بلورهای بدون پشتیبانی MF، MF25-AC، MF45-AC و MF65-AC از معادلات شرر محاسبه شد و به ترتیب 15.74، 7.14، 7.61 و 11.47 نانومتر بود. دلیل اصلی کاهش مقدار اندازه کریستالیت در نمونه های ساپورت شده متضاد با MF خالص را می توان به نقش ACs در پراکندگی نانوذرات فریت بر روی سطح آن نسبت داد. همچنین، اندازه کریستالیت با رشد محتوای فریت‌های منیزیم به دلیل تجمع نانوذرات MF در سطح AC افزایش می‌یابد تا اینکه به حداکثر مقدار در MF65-AC رسید. از سوی دیگر، چگالی نابجایی و کرنش شبکه را می توان از معادله محاسبه کرد. ( 5 ) و ( 6 ) 69 , 70 و در جدول 1 نمایش داده شده است .

اندازه گیری جذب نیتروژن

تخلخل شامل اندازه منافذ و مساحت سطح مواد سنتز شده در دمای -196 درجه سانتیگراد از طریق ایزوترمهای جذب N 2 به عنوان یک ابزار استاندارد برای تعیین مشخصات اندازه گیری شد و در شکل  3 نشان داده شده است . ایزوترم‌های کربن فعال خالص و اصلاح‌شده با استفاده از چند درصد وزنی فریت‌های منیزیم، ایزوترم نوع I دارند، که نشان می‌دهد AC خالص و اصلاح‌شده اساساً طبق طبقه‌بندی IUPAC متخلخل بودند. همچنین شکل نشان می‌دهد که اکثر حجم‌های منافذ AC، MF25-AC، MF45-AC و MF65-AC زیر P/P o برابر با 0.1 پر شده‌اند که نشان می‌دهد نمونه‌های تهیه‌شده بسیار ریز متخلخل هستند. سطح ویژه (S BET ) AC خالص مشتق شده از پوست پرتقال به 2134 مترمربع گرم -1 رسید ، در حالی که MF خالص دارای مساحت 178 مترمربع گرم -1 است که به خوبی با مقالات منتشر شده قبلی مطابقت دارد . . پس از اصلاح با فریت های منیزیم، S BET (جدول 1 ) از 1897 به 1645 به 1223 m2.g -1 برای MF25-AC، MF45-AC و MF65-AC به ترتیب کاهش یافت . کاهش مشخص شده در S BET خاص را می توان به تجمع MF-NPs در سطح و درون منافذ کربن فعال (AC) نسبت داد. این رسوب به نوبه خود منجر به کاهش جذب نیتروژن و در نتیجه کاهش سطح کلی می شود 35 . علاوه بر این، منحنی‌های توزیع اندازه منافذ AC، MF25-AC، MF45-AC و MF65-AC با استفاده از حجم منافذ در اندازه‌گیری  ایزوترم‌های دفع N 2 مورد مطالعه قرار گرفتند . همه مدل های آماده شده دارای توزیع اندازه منافذ باریک با قطر منافذ کمتر از 20 Å همانطور که در شکل  4 نشان داده شده است ، وجود ریز منافذ در کربن های فعال خالص و اصلاح شده را تایید می کند. متوسط ​​قطر منافذ (Dp) (جدول 1 ) با افزایش محتویات فریت های منیزیم کاهش یافت که 18.7، 6.8، 17.4، 16.1 و 13.5 Å برای AC، MF، MF25-AC، MF45-AC و MF65-AC بود. ، به ترتیب. این کاهش می تواند به دلیل رسوب نانوذرات MF در منافذ کربن های فعال باشد 63 .

تصاویر TEM و هیستوگرام توزیع ذرات

شکل  5 تصاویر TEM AC، MF، MF25-AC، MF45-AC و MF65-AC را نشان می دهد. با توجه به تصاویر TEM، AC به صورت یک ساختار ورقه ای با ریز منافذ آشکار روی سطح آن ظاهر شد (شکل  5 a). در حالی که، نانوذرات MgFe 2 O 4 در شکل  5 b دارای یک ترکیب نانوذرات کروی با اندازه ذرات در محدوده 12.4 تا 17.7 نانومتر است و برخی میله‌ها در تصاویر TEM شناسایی شده‌اند. پس از افزودن فریت‌های منیزیم به AC (شکل  5 c-e)، نانوذرات کروی و میله‌ای به خوبی روی سطح AC پراکنده شدند و با افزایش محتوای MF، ذرات روی سطح انباشته شدند که می‌توانستند مانع شوند. منافذ AC همانطور که در نمونه MF65-AC نشان داده شده است و این نتایج با آنالیز BET مطابقت داده شد. از سوی دیگر، از نرم‌افزار image J برای بررسی میانگین اندازه نانوذرات MF در MF خالص استفاده شد و سایر نمونه‌های MF پشتیبانی‌شده در شکل  5 f–i نشان داده شده‌اند. هیستوگرام اندازه ذرات متوسط ​​نشان داد که میانگین اندازه ذرات MgFe 2 O 4 NPs (جدول 1 ) برای MF خالص، MF25-AC، MF45-AC و MF65-16.14، 8.35، 9.64، و 12.1 نانومتر برابر است. ، به ترتیب. این یافته ها به خوبی با نتایج XRD مطابقت داشتند.

تصاویر SEM، طیف‌سنجی پراکنده انرژی (EDX) و تجزیه و تحلیل نقشه‌برداری EDX

مورفولوژی سطح با استفاده از تصاویر SEM مورد مطالعه قرار گرفت، در حالی که آنالیز EDX برای مطالعه ترکیب شیمیایی آنها استفاده شد. کربن فعال خالص (شکل  6 الف) دارای ساختاری لایه ای با تخلخل بالا است که قبلاً گزارش شده بود 30 . در حالی که، سایر AC پشتیبانی شده، نانوذرات کروی بسیار پراکنده را روی سطح AC نمایش می‌دهند که با افزایش درصد درصدشان، اندازه آنها بیشتر شده است، همانطور که در شکل  6 b-d نشان داده شده است. این نشان می دهد که نانوذرات MgFe 2 O 4 به طور موفقیت آمیزی بر روی AC با ویژگی های پراکندگی بالا پشتیبانی می شوند همانطور که از نقشه برداری EDX پشتیبانی می شود. شکل  6 نشان می دهد که منیزیم و آهن به طور تصادفی در ساختار کامپوزیت های تهیه شده توزیع شده اند. این پراکندگی خوب می تواند عامل عملکرد الکتروشیمیایی عالی باشد که بعداً نمایش داده خواهد شد. همچنین، آنالیز EDX در شکل  6 f نشان داده شد که نشان داد تنها چهار پیک در طیف MF45-AC مشاهده شد که به کربن، اکسیژن، منیزیم و آهن نسبت داده می‌شد. این نتایج نشان می دهد که MF45-AC با موفقیت بدون آلودگی تهیه شده است.

عملکرد الکتروشیمیایی

الکترولیت مورد استفاده برای انجام ولتامتری حلقوی (CV) و اندازه‌گیری‌های بار- تخلیه گالوانیکی (GCD) شامل سه محیط مختلف است: محلول 2.0 مولار سولفات سدیم (Na2SO4 ) برای شرایط خنثی، اسید سولفوریک ( H2SO4 ، 2.0 ) . M) برای شرایط اسیدی، و هیدروکسید پتاسیم (KOH، 2.0 M) برای شرایط قلیایی. این الکترولیت ها بر اساس سازگاری آنها با مواد مورد بررسی و ارتباط آنها با تحقیقات ابرخازن انتخاب شدند که امکان ارزیابی جامع عملکرد الکتروشیمیایی در محیط های مختلف pH را فراهم می کند. عملکردهای الکتروشیمیایی (CV) با سرعت اسکن 20 mV/sec بر روی کامپوزیت MF45-AC با استفاده از این الکترولیت ها مورد بررسی قرار گرفت و نتایج در شکل  7 a نشان داده شده است. با مقایسه محلول Na 2 SO 4 با محلول های دیگر، ناحیه فعال الکتروشیمیایی بزرگتری کشف شد. بنابراین، Na 2 SO 4 به عنوان مناسب ترین الکترولیت انتخاب شد. همچنین، رفتار GCD نانوکامپوزیت MF45-AC با استفاده از الکترولیت‌های مختلف (KOH، H2SO4 و Na2SO4 ) از طریق آزمایش‌های شارژ و تخلیه گالوانوستاتیک ( GCD ) مورد بررسی قرار گرفت (شکل  7 ب) . منحنی های مثلثی یا شبه مثلثی تحریف شده را نشان دادند که نشان دهنده رفتار ردوکس نانوذرات فریت منیزیم است که روی کربن فعال پشتیبانی می شود. ظرفیت ویژه MF45-AC از معادله محاسبه شد. ( 2 ) و به ترتیب 292 ، 598 و 870 Fg -1 در چگالی جریان 1.0 Ag – 1 در محلول های KOH، H2SO4 و Na2SO4 است . نتایج منحنی‌های GCD با داده‌های CV که تایید می‌کند Na 2 SO 4 (2.0 M) مناسب‌ترین الکترولیت در اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی بود برازش داده شد.

اندازه‌گیری‌های ولتامتری چرخه‌ای الکترود MF45-AC در غلظت الکترولیت 2.0 مولار Na 2 SO 4 در نرخ‌های مختلف اسکن در محدوده 5.0 تا 50.0 mV s -1 همانطور که در شکل  8 a نشان داده شده است مورد آزمایش قرار گرفت. این شکل نشان می‌دهد که شدت جریان با سرعت اسکن افزایش می‌یابد که نشان‌دهنده قابلیت نرخ خوب است. همچنین، MF45-AC پیک های ردوکس استثنایی را در 0.091 و 0.238 V نشان داد، که می تواند مسئول عملکرد عالی الکتروشیمیایی باشد. این مشاهدات وجود اثرات قابل توجه واکنش ردوکس فارادائیک را نشان می‌دهد که تأثیر قابل‌توجهی بر خازن و خواص شبه خازنی ماده الکترود دارد. واکنش‌های فارادائیک به رفتار کلی الکتروشیمیایی کمک می‌کنند، و مشارکت فرآیندهای ردوکس را نشان می‌دهند که می‌توانند عملکرد خازنی و ویژگی‌های شبه خازنی کامپوزیت MF45-AC را افزایش دهند. متناوباً، شکل  8 ب منحنی‌های GCD MF45-AC را در چگالی جریان متفاوت از 1.0 تا 3.0 Ag -1 در پنجره‌های پتانسیل مشابه نشان می‌دهد. شکل شبه مثلثی مشهود در همه منحنی‌های بار- تخلیه گالوانوستاتیک (GCD) رفتار اکسیداسیون و کاهش مواد آماده‌شده را بیشتر تایید می‌کند، مطابق با مشاهدات در منحنی‌های ولتامتری چرخه‌ای (CV). ظرفیت ویژه MF45-AC به ترتیب 870، 790، 668، 585، و 396 F·g -1 در چگالی جریان 1.0، 1.5، 2.0، 2.5، و 3.0 A·g -1 است . این خصوصیات بینش‌هایی را درباره پاسخ دینامیکی و قابلیت‌های ذخیره انرژی کامپوزیت MF45-AC تحت شرایط عملیاتی مختلف ارائه می‌کند. همچنین، شکل  8 c منحنی های ولتامتری چرخه ای (CV) AC، MF، MF25-AC، MF45-AC، و MF65-AC را با سرعت اسکن 20.0 mV/s نشان می دهد. منحنی های CV AC اشکال مستطیلی را در یک پنجره پتانسیل 1.0- تا 0 ولت نشان می دهند، که نشان دهنده رفتار لایه الکتریکی دوگانه معمولی و ویژگی های خازنی ایده آل است. در مقابل، منحنی‌های CV سایر کامپوزیت‌های فریت، یعنی MF، MF25-AC، MF45-AC، و MF65-AC، رفتار خازنی از نوع فارادیک را نشان می‌دهند. این رفتار ناشی از فرآیندهای اکسیداسیون یا کاهش مواد فعال در سطح مشترک الکترود است که نشان دهنده دخالت واکنش های ردوکس در عملکرد الکتروشیمیایی این مواد کامپوزیتی است که در شکل  8 نشان داده شده است.د AC منحنی های GCD مثلثی شکل را نشان می دهد که مشخصه رفتار لایه الکتریکی دوگانه و خواص خازنی ایده آل است که توسط منحنی های CV تأیید شده است. در مقابل، نمونه‌های فریت منحنی‌های بار-تخلیه گالوانیوماتیک (GCD) شبه مثلثی شکل را نشان می‌دهند، مشخصه‌ای که رفتار اکسیداسیون و کاهش آنها را نشان می‌دهد. این مشاهدات دخالت واکنش‌های ردوکس را در مکانیسم ذخیره‌سازی بار نمونه‌های فریت نشان می‌دهد و آنها را از رفتار خازنی ایده‌آل که معمولاً با خازن‌های دو لایه مرتبط است متمایز می‌کند. ظرفیت ویژه با استفاده از معادله محاسبه شد. ( 2 ) و مشخص شد که 96 F·g -1 برای AC، 402 F·g -1 برای MF، 516 F·g -1 برای MF25-AC، 870 F·g -1 برای MF45-AC، و 800 F. ·g -1 برای MF65-AC در چگالی جریان 1.0 A·g-1. ظرفیت ویژه در کامپوزیت ها افزایش می یابد و با افزایش محتوای فریت منیزیم تا رسیدن به حداکثر مقدار در 45.0 درصد وزنی به افزایش ادامه می دهد. پس از این نقطه، ظرفیت خازن ویژه دوباره شروع به کاهش می کند. این کاهش را می توان به تجمع نانوذرات فریت بر روی سطح کربن فعال نسبت داد که ساختار متخلخل AC را مسدود می کند و مانع از انتشار یون ها از الکترولیت در مواد الکترود می شود.

برای ارزیابی عملکرد عملی الکترود، تجزیه و تحلیل CV الکترود نامتقارن MF45-AC در یک پنجره پتانسیل که از 0.0 تا 0.5 ولت را در بر می گیرد، با استفاده از نرخ های اسکن مختلف از 5.0 تا 50.0 mV/s، همانطور که در شکل  9 a نشان داده شده است، انجام شد. شکل منحنی‌های CV برای MF45-AC منحرف و مستطیلی به نظر می‌رسد، که نشان‌دهنده مشارکت قابل توجه واکنش‌های ردوکس فارادیک و خواص شبه خازنی است. علاوه بر این، منحنی‌های GCD الکترود MF45-AC نامتقارن تحت چگالی‌های جریان مختلف (1.0 تا 3.0 A·g -1 ) به دست آمد و در شکل  9 ب نشان داده شد. این تحلیل در ارزیابی عملکرد الکترود و قابلیت‌های ذخیره انرژی در شرایط عملیاتی مختلف بسیار مهم بود. منحنی‌های GCD به‌دست‌آمده اطلاعات ارزشمندی در مورد رفتار شارژ و دشارژ، و همچنین پایداری و کارایی الکترود نامتقارن MF45-AC تحت رژیم‌های چگالی جریان مختلف ارائه می‌دهند. ظرفیت های ویژه MF45-AC با استفاده از معادله 1.0، 1.5، 2.0، 2.5 و 3.0 A·g -1 محاسبه شد. ( 2 ) و به ترتیب 448، 381، 352، 325 و 276 F·g -1 است . نمودار راگون، که رابطه بین چگالی انرژی و چگالی توان را به تصویر می‌کشد، برای الکترود نامتقارن MF45-AC بر اساس منحنی‌های بار- تخلیه گالوانوستاتیک (GCD) به‌دست‌آمده در چگالی‌های جریان مختلف، همانطور که در شکل  9 c نشان داده شده است، ایجاد شد. حداکثر چگالی انرژی MF45-AC در 15.56 W·h·kg -1 با چگالی توان متناظر 250 W·kg -1 شناسایی شد . ثابت می‌کند که این مقدار چگالی انرژی با مقادیر گزارش‌شده برای سایر دستگاه‌های نامتقارن قابل مقایسه یا حتی برتر است، که بر عملکرد مطلوب الکترود MF45-AC در متعادل کردن ذخیره‌سازی انرژی و تحویل در کاربردهای عملی تأکید می‌کند . همچنین، پایداری چرخه الکترودهای AC خالص، MgFe 2 O 4 خالص و MF45-AC در چگالی جریان برابر با 3.0 Ag -1 در شکل 9 d ارائه شده است  . مطابق شکل  9 d، تمام نمونه های آماده شده افزایشی در عملکرد الکتروشیمیایی در 500 سیکل اول نشان دادند که می تواند به دلیل فرآیند فعال سازی الکترود باشد. پس از 5000 چرخه، عملکرد الکترودها کاهش در ظرفیت ویژه را نشان می دهد تا به ترتیب به 86.1، 378.4 و 826.5 F.g -1 در مورد الکترودهای AC خالص، MgFe 2 O 4 خالص و MF45-AC برسد. با توجه به این نتایج، حفظ ظرفیت AC خالص، MgFe 2 O 4 خالصو الکترودهای MF45-AC به ترتیب 89.6%، 94.2% و 95.1% بودند. این نتایج نشان داد که الکترودهای آماده شده حتی پس از 5000 چرخه پایداری سیکل عالی را نشان می‌دهند و MF45-AC بالاترین عملکرد الکتروشیمیایی و پایداری چرخه را دارد. عملکرد الکتروشیمیایی مطالعه اخیر ما (الکترودهای نانوکامپوزیت های MgFe 2 O 4 / کربن فعال) با سایر الکترودهای ابرخازن مرتبط منتشر شده در مقالات قبلی و نشان داده شده در جدول 2 مقایسه شده است . نتایج نشان می‌دهد که نانوکامپوزیت MF45-AC به عنوان ابرخازن‌های موثر و امیدوارکننده از نظر عملکرد الکتروشیمیایی عمل می‌کند.

کربن فعال با موفقیت از پوست پرتقال به عنوان ضایعات کشاورزی تهیه شد، سپس با وزن‌های مختلف فریت‌های منیزیم (25، 45 و 65 درصد وزنی) از طریق روش حل‌گرمی ساده اصلاح شد. کامپوزیت‌های سنتز شده با تکنیک‌های مختلف مشخص‌سازی مشخص شدند، که در آن سطح AC از ایزوترم‌های جذب نیتروژن محاسبه شد و 2134 m2 g-1 بود و با افزایش محتویات فریت‌ها تا رسیدن به m2g 1423 کاهش یافت . 1 در MF65-AC. علاوه بر این، تصاویر SEM و TEM ثابت می کنند که نانوذرات فریت به خوبی در سطح AC پراکنده شده اند. الکترودهای سنتز شده در حالت آماده‌شده خود، پیشرفت‌های قابل‌توجهی در عملکرد الکتروشیمیایی نشان دادند که با افزایش محتوای فریت منیزیم در کامپوزیت MF45-AC، بهبود قابل‌توجهی را نشان داد. این مشاهدات بر تاثیر مثبت ترکیب فریت های منیزیم بر خواص کلی الکتروشیمیایی الکترود کامپوزیت تاکید می کند. این محتوای ترکیبی بهینه بالاترین Cs را با مقدار 870.0 Fg -1 در چگالی جریان 1.0 A و حفظ استثنایی با 95.1٪ از ظرفیت ویژه اولیه خود حتی پس از 5000 سیکل نشان داد. همچنین، ظرفیت ویژه نامتقارن برابر با 448 Fg -1 در چگالی جریان 1.0 Ag -1 نشان داد و انرژی این الکترود نامتقارن به 15.56 Wh kg -1 در چگالی توان 250 W kg -1 رسید . افزایش محتوای فراتر از 45 درصد وزنی تا 65 وزن. % عملکرد الکتروشیمیایی را به دلیل مسدود شدن بیش از حد منافذ AC توسط نانوذرات فریت که توسط تصاویر TEM تایید شده و همچنین کاهش قابل توجه در مساحت سطح را از بین برد. تلاش‌های تحقیقاتی آینده ما بر کاوش مسیرهای سنتز جایگزین و اصلاح فرمول‌های ترکیبی متمرکز خواهد بود. علاوه بر این، هدف ما بررسی جنبه‌های مکانیکی واکنش‌های ردوکس، درک دینامیک‌هایی است که به خازن استثنایی مشاهده‌شده کمک می‌کند. با بررسی سیستماتیک و بهینه‌سازی این پارامترها، ما پیش‌بینی می‌کنیم که طراحی کامپوزیت‌های کربن فعال‌شده با فریت منیزیم برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی افزایش یابد.