گروهی از پژوهشگران با یافتن راهحلی خلاقانه، یکی از آلودهترین زبالههای کره زمین را به مادهای ارزشمند برای فناوریهای انرژی پاک تبدیل کردهاند. آنها با پردازش شیمیایی فیلترهای دورریخته شده سیگار، موفق به ساخت کربنهای نانومتخلخلی شدهاند که میتوانند به عنوان الکترود در ابرخازنها (ذخیرهسازهای فوقسریع انرژی) مورد استفاده قرار گیرند. این دستاورد علاوه بر کمک به حل یک معضل بزرگ زیستمحیطی، راهی برای تولید مواد پیشرفته و کمهزینه برای صنعت انرژی است.
تبدیل فیلترهای سیگار به ابرخازنهای پرسرعت و پاک
فیلترهای سیگار در زمره پرتعدادترین اقلام دورریختنی در جهان هستند که سالانه میلیونها تن از آنها انباشته شده و مواد شیمیایی سمی خود را به خاک و آبهای روان نشت میدهند. یک مطالعه جدید نشان میدهد که این شکل پایدار از زباله میتواند به منبعی ارزشمند برای فناوری انرژی پاک نیز تبدیل شود. پژوهشگران با تبدیل فیلترهای سیگار به مواد کربنی پیشرفته، راهی برای دگرگون ساختن پسماندهای خطرناک به اجزای پُربازده برای ابرخازنها (Supercapacitors) نشان دادهاند.
ابرخازنها دستگاههای ذخیرهسازی انرژی هستند که برای سرعت و دوام طراحی شدهاند. برخلاف باتریهای لیتیومیونی که به واکنشهای شیمیایی متکی هستند، ابرخازنها انرژی را از طریق انباشت بار الکتریکی روی سطح الکترودها ذخیره میکنند. این ویژگی به آنها اجازه میدهد با سرعت بسیار بالا شارژ و دِشارژ شوند، توان بالا تحویل دهند و در طول دهها هزار چرخه، بهطور قابل اطمینانی کار کنند. محدودیت اصلی آنها در خود الکترودها نهفته است. عملکرد ابرخازن به شدت به سطح موثر، ساختار حفرهای و رسانایی الکتریکی بستگی دارد؛ عواملی که همگی چگونگی حرکت کارآمد بارها و یونها را تعیین میکنند.
مواد کربنی ساختهشده از زیستتوده (بیومس) به عنوان جایگزینی پایدار برای مواد الکترود متعارف، توجهات را به خود جلب کردهاند. فیلترهای سیگار بهویژه گزینهای بسیار امیدبخش هستند، زیرا عمدتاً از سلولز و استات سلولز تشکیل شدهاند؛ پلیمرهایی که در صورت پردازش دقیق میتوانند به کربن نانومتخلخل تبدیل شوند. تاکنون، این پتانسیل عمدتاً دستنخورده باقی مانده بود.
مطالعهای که توسط تیمی از دانشگاه هِنان (Henan University) در نشریه انرژی و پیوند محیطی (Energy & Environment Nexus) با عنوان «کربن زیستی نانومتخلخل سلسلهمراتبی دوپهشده با نیتروژن و اکسیژن مشتقشده از فیلترهای ضایعاتی سیگار برای کاربرد ذخیرهسازی انرژی با عملکرد بالا» منتشر شده، به هر دو بار زیستمحیطی پسماند سیگار و تقاضا برای مواد ذخیرهسازی انرژی کمهزینه و پُربازده میپردازد. این پژوهشگران روشی مقیاسپذیر برای تبدیل فیلترهای دورریختنی سیگار به الکترودهای کربنی گزارش کردهاند که در ابرخازنها عملکردی استثنایی از خود نشان میدهند.
از پسماند تا ماده پیشرفته: یک فرآیند دو مرحلهای
این تیم از یک فرآیند دو مرحلهای ترکیبی شامل کربنیزاسیون هیدروترمال (Hydrothermal Carbonization) و فعالسازی شیمیایی استفاده کردند. نخست، آنها فیلترهای سیگار را تحت شرایط آب با فشار و دمای بالا قرار دادند تا یک پیشماده کربنی حاوی نیتروژن تولید کنند. سپس این ماده را با پتاسیم هیدروکسید در دما و نسبتهای کنترلشده فعال کردند تا ساختار داخلی آن را شکل دهند. این رویکرد به آنها اجازه داد تا اندازه حفرهها، شیمی سطح و خواص الکتریکی را به دقت تنظیم کنند.
مطالعات میکروسکوپی نشان داد که ماده در طول پردازش چگونه تغییر کرد. کرههای کربنی در آغاز متراکم و صاف، به تدریج به شبکههای سهبعدی نانومتخلخل تبدیل شدند. با افزایش مقدار عامل فعالساز، ساختار بازتر و به هم پیوستهتر شد و کانالهایی شبیه به لانه زنبور تشکیل داد که به یونها و الکترونها اجازه میدهد به سرعت درون الکترود حرکت کنند. اندازهگیریهای جذب گاز تأیید کرد که کربنهای فعالشده، ترکیبی از حفرههای میکروسکوپی و مزوسکوپی را توسعه دادهاند؛ معماری که برای ذخیرهسازی انرژی بسیار مناسب است.
یک نمونه که در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد و با نسبت فعالسازی بالاتر تولید شده بود، عملکرد درخشانی داشت. این نمونه به سطح موثر بسیار بالای ۲۱۳۳.۵ متر مربع بر گرم دست یافت و طیف متعادلی از اندازه حفره در محدوده ۱ تا ۳ نانومتر نشان داد. تحلیلهای ساختاری حاکی از آن بود که این دمای میانه برای فعالسازی، به اندازه کافی نظیم گرافیتی را حفظ کرده تا از رسانایی الکتریکی خوب پشتیبانی کند و در عین حال از عیوب بیشازحد مشاهدهشده در دماهای بالاتر اجتناب نماید.
افزایش کارایی با اتمهای نیتروژن و اکسیژن
تحلیلهای شیمیایی نشان داد که اتمهای نیتروژن و اکسیژن به طور یکنواخت در شبکه کربنی جایگزین شدهاند. این گروههای عاملی، رسانایی را بهبود بخشیده و از طریق واکنشهای سطحی، ذخیره بار اضافی ایجاد میکنند که در نهایت به افزایش ظرفیت خازنی کلی میانجامد.
آزمونهای الکتروشیمیایی، عملکرد قدرتمند این ماده را تأیید کردند. در یک آرایه استاندارد سهالکترودی، بهترین نمونه به ظرفیت خازنی ویژه ۳۴۴.۹۱ فاراد بر گرم در چگالی جریان ۱ آمپر بر گرم دست یافت. این ماده در نرخهای سریعتر شارژ و دشارژ نیز عملکرد بالای خود را حفظ کرد و پس از ۱۰٬۰۰۰ چرخه، ۹۵.۴۴ درصد از ظرفیت خازنی خود را حفظ نمود که نشاندهنده پایداری بلندمدت عالی است. هنگامی که این ماده در یک ابرخازن متقارن کامل وارد شد، دستگاه به چگالی انرژی ۲۴.۳۳ واتساعت بر کیلوگرم و چگالی توان ۳۷۳.۷۱ وات بر کیلوگرم دست یافت که از عملکرد بسیاری از مواد کربنی مشتقشده از زیستتوده و برخی کربنهای فعال تجاری پیشی میگیرد.
در مجموع، نتایج نشان میدهد که کنترل دقیق شرایط پردازش، به طور مستقیم بر ساختار حفرهای، شیمی سطح و نظم کربنی تأثیر میگذارد و این عوامل در کنار هم، عملکرد الکتروشیمیایی نیرومندی را به ارمغان میآورند.
این مطالعه، مسیری عملی برای تبدیل فیلترهای سیگار از یک خطر زیستمحیطی به یک منبع صنعتی سودمند را برجسته میسازد. ابرخازنهای ساختهشده از این ماده میتوانند از کاربردهای نیازمند شارژ سریع و عمر طولانی، مانند تثبیت شبکه برق، ترمزهای احیایی (Regenerative Braking) و الکترونیکهای قابل حمل پشتیبانی کنند. به طور گستردهتر، این کار به یک راهبرد تبدیل پسماند به منبع اشاره دارد که همزمان با کاهش آلودگی، به توسعه فناوریهای انرژی پایدارتر کمک میکند. این رویکرد، نمونه بارزی از اقتصاد چرخهای است که در آن، پایان یک چرخه مصرف، آغازی برای چرخهای نو در تولید انرژی پاک میشود.
