Obtención de materiales carbonosos a partir de la cascarilla de cacao para la aplicación como electrodos en supercapacitores
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Date
2018Author
Ibagón Franco, Leidy Gineth
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Abstract
Las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímicas, junto con el desarrollo de materiales constituyen enfoques prometedores para abordar los desafíos en el suministro de energía, considerando que las necesidades energéticas globales se duplicarán hacia mediados del siglo XXI y se triplicarán para el año 2100. Ante estos retos, se sugiere el desarrollo de un material carbonoso con alta área superficial, a partir de cascarilla de cacao, residuo lignocelulósico de gran abundancia en Colombia; para desarrollar el material se utilizó un diseño factorial 3^2, preparando muestras mediante impregnación del precursor con KOH en proporciones de agente/sólido de 1:1, 3:1 y 5:1, con temperaturas de carbonización de 500, 650 y 800 °C; los materiales carbonosos se caracterizaron a través de isotermas de adsorción de N2 a 77 K, espectroscopía fotoelectrónica de rayos-X (XPS), espectroscopía Raman y difracción de rayos-X (DRX). La capacitancia específica de las muestras con mayor área superficial se determinó a partir de voltametría cíclica usando HCl 1M como electrolito a velocidad de barrido de 100 mV/s. La capacitancia más alta fue de 196 F/g, con la muestra obtenida a una relación de impregnación 5:1 y temperatura de carbonización de 650 °C; muestra que presentó el área superficial específica más alta (1443 m2/g), el menor contenido de cenizas, el mayor grado de grafitización según los resultados del análisis Raman, la mayor presencia de estructuras grafíticas confirmando una estructura más organizada de acuerdo con los ensayos de DRX, lo que condujo a una alta conductividad eléctrica; a su vez, esta muestra tuvo la proporción más alta de enlaces C-OH y C=O asociados con grupos oxigenados tipo carboxilos, carbonilos y quinonas según la espectroscopía XPS, los cuales pudieron favorecer la pseudocapacitancia y en consecuencia el almacenamiento de energía.
Summary in foreign language
The electrochemical energy storage technologies, together with the development of materials, are promising ways to face the global challenges related to energy supply considering that global energy needs will double by the middle of the 21st century and will triple for the year 2100. Given these challenges, it is suggested the development of a high surface area carbonaceous material , using cocoa husk as precursor, an abundant lignocellulosic residue from Colombia; to develop the material, a 3^2 factorial design was used, preparing samples by impregnating the precursor with KOH at agent/solid ratios of 1:1, 3:1 and 5:1, and carbonization temperatures of 500, 650 and 800 °C; the carbonaceous materials were characterized through N2 adsorption isotherms at 77 K, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). The specific capacitance of the samples with higher specific surface area, was determined from cyclic voltammetry experiments using 1M HCl as electrolyte and 100 mV/s scanning speed. The highest capacitance was 196 F/g, with the sample obtained at a 5:1 impregnation ratio and carbonization temperature of 650 °C; it was the sample with the highest specific surface area (1443 m2/g), the lowest ash content, the greater degree of graphitization according to Raman analysis, the more ordered structure according to the presence of graphitic signals stablished through the XRD tests, which could led to higher electrical conductivity; also, according to XPS spectroscopy, this sample had the highest proportion of C-OH and C=O bonds associated with oxygenated carboxyl, carbonyl and quinone groups, which would favor the pseudocapacitance and consequently the energy storage.
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