Dopaje con nitrógeno y fósforo de carbones activos derivados de cascarilla de cacao para su aplicación como electrodos en supercapacitores

Abstract

Las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímicas como los supercapacitores, junto con el desarrollo de materiales de carbono, desempeñan actualmente papeles prometedores en el esfuerzo global por abordar los desafíos para el suministro de energía. Las ventajas de alta densidad de potencia y larga vida útil han hecho que los supercapacitores usando electrodos compuestos por materiales carbonosos sean los principales dispositivos que permitan ese almacenamiento de una manera eficiente y sostenible. Sin embargo, las características de capacitancia y potencia de los materiales carbonosos porosos convencionales son limitadas, pero pueden ser mejoradas a través del dopaje de N y P; desde el aumento de las características texturales hasta la pseudocapacitacia. Ante esta dificultad, se planteó el desarrollo de materiales carbonosos a partir de cascarilla de cacao mediante activación química con H3PO4 y KOH a relaciones agente/sólido de 1,75:1 y 3:1 p/p y con temperatura de 600 y 800°C, respectivamente. Luego, se sometieron a tratamiento químico con amoníaco empleando tres concentraciones de solución (10%, 17.5% y 25%) y con fosfato monoamónico se trataron con tres concentraciones de solución (25%, 30% y 35%) a una relación agente/carbón de 4:1, a fin de establecer la influencia de las condiciones de tratamiento sobre el dopaje alcanzado y la capacitancia de los materiales obtenidos. Los carbones activados se caracterizaron mediante análisis elemental EDS, microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectro infrarrojo con transformada de Fourier con el fin de evaluar las características morfológicas, la la composición química, y los grupos funcionales. Las muestras modificadas con fosfato monoamónico al 35% (p/p) C-A-FM-35, y amoníaco al 25% (p/p) C-A-A-25: presentaron los mayores contenidos de N y P, respectivamente. Todos los tratamientos mostraron un incremento en los grupos piridínicos de acuerdo con el FTIR, pero la muestra activada con KOH y modificada con fosfato monoamónico al 25% (p/p) C-B-FM-25 fue la única en exponer grupos hidroxilo y amino que pueden favorecer la humectabilidad y la pseudocapacitancia del carbón.