[학위논문]슈퍼 커패시터 및 전기 촉매 응용을위한 바이오 매스 유래 금속 무 함유 다공성 탄소 및 바이오에서 영감을받은 망간 인산염 나노 물질 Biomass Derived Metal Free Multiporous Carbon and Bioinspired Manganese Phosphate Nanomaterials for Supercapacitor and Electrocatalyst Applications원문보기
지구 온난화를 방지하기 위해 화석 연료를 대체하고 CO2 배출량을 줄이려면 재생 가능 에너지 변환 장치의 개발이 매우 중요합니다. 마찬가지로, 에너지 저장 시스템도 일상 생활에서 중요한 구성 요소가되고 있습니다. 에너지 저장 장치는 가솔린 연료 기반 운송을 전기 기반 운송으로 대체하고 미래 운송 시스템을보다 지속 가능한 전기 차량으로 전환 할 수있을 것으로 예상된다. 충전식 배터리가 수십 년 동안 전원으로 사용되었지만, 수명이 제한되는 양극과 음극 재료 사이의 이온의 ...
지구 온난화를 방지하기 위해 화석 연료를 대체하고 CO2 배출량을 줄이려면 재생 가능 에너지 변환 장치의 개발이 매우 중요합니다. 마찬가지로, 에너지 저장 시스템도 일상 생활에서 중요한 구성 요소가되고 있습니다. 에너지 저장 장치는 가솔린 연료 기반 운송을 전기 기반 운송으로 대체하고 미래 운송 시스템을보다 지속 가능한 전기 차량으로 전환 할 수있을 것으로 예상된다. 충전식 배터리가 수십 년 동안 전원으로 사용되었지만, 수명이 제한되는 양극과 음극 재료 사이의 이온의 셔틀로 인해 충전 / 방전이 느려집니다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 슈퍼 커패시터 (SC) 및 연료 전지는 높은 전력 밀도로 인해 급속 충전 / 방전 응용 분야에서 널리 연구되고 있지만, 에너지 밀도는 배터리 규모에 미치지 못한다. 따라서 저렴한 생산 비용으로 SC 저장 용량을 리튬 이온 배터리에 더 가깝게 만드는 새로운 재료는 저장 장치에서 획기적인 것입니다. 따라서, SC는 전해질 이온 침투가 유사한 전력을 수행하기 위해 쉽게 접근 할 수있는 다수의 전기 활성 부위로부터 상승 효과를 제공 할 수있는 계층 적 나노 구조로 개발된다. 이 연구에서 우리는 에너지 변환 및 저장 응용을위한 탄소원으로 바이오 매스 폐기물로 만다린 껍질과 브로콜리 줄기를 선택했습니다. 허니 콤 유사 구조화 된 활성탄은 KOH 및 NaOH 활성화를 사용하여 만다린 껍질로부터 유도되었다. 대칭형 슈퍼 커패시터는 240W / kg 전력 밀도에서 10.92Wh / kg의 최고 에너지 밀도를 보였으며 1740W / kg의 높은 전력 밀도에서 최대 7.06Wh / kg으로 유지되었습니다. 1A / g의 전류 밀도에서 348F / g의 최대 비정전 용량을 달성했습니다. 또한이 재료는 기존의 4-e 공정에서 RHE에 비해 0.87V의 시작 전위와 0.75V의 반파 전위로 탁월한 ORR 활성을 나타 냈습니다. 간단한 수성 보조 탄화 방법에 의해 자연적으로 질소가 풍부한 브로콜리 줄기 바이오 매스로부터 유래 된 계층 적 다공질 허니컴 탄소 네트워크. 가요 성 와이어 슈퍼 커패시터를 제조하고 450W / kg의 전력 밀도에서 3Wh / kg의 에너지 밀도 및 0.5A / g의 전류 속도에서 106F / g의 중량비 특정 커패시턴스를 나타내었다. 10mA / cm2의 전류 밀도에서 HER의 최저 전위는 184mV (vs. 가역 수소 전극)이며 OER의 경우 301mV (vs. 가역 수소 전극)입니다. 망간계 전기 촉매는 자연 광합성 시스템의 활성 중심으로 인해 산소 발생 반응 (OER) 및 산소 환원 반응 (ORR) 적용에 큰 관심을 가지고있다. 우리는 10mA / cm2의 전류 밀도와 76mV / dec의 Tafel 기울기에 도달하기 위해 286mV의 낮은 과전 위로 우수한 수산화 활성을 나타내는 매우 안정적인 Mn3 (PO4) 2.3H2O 나노 다면체 (MnP)를 준비했습니다. 회전 디스크 전극 및 회전 링 디스크 전극 기술 둘 모두로부터 계산 된 전자 이동 수는 각각 RHE 대 0.998 V 및 0.936 V의 개시 및 반파 전위를 갖는 준 -4 전자 전송 프로세스이다. MnP는 5.7mA / cm2의 더 높은 제한 운동 전류와 1.6 %의 매우 낮은 H2O2 수율을 달성했습니다. 이 논문은 슈퍼 커패시터 및 전기 촉매 응용을위한 바이오 매스 유래 탄소 및 바이오 영향 망간 포스페이트 나노 물질의 합성 및 응용에서 귀중한 결과를 제공 하였다. 이 논문에 제시된 결과는 효율적인 전기 촉매를위한 바이오 매스 유래 활성탄 기반 슈퍼 커패시터 및 망간 인산염에 사용 된 전략을 다루는 데 도움이 될 것입니다.
지구 온난화를 방지하기 위해 화석 연료를 대체하고 CO2 배출량을 줄이려면 재생 가능 에너지 변환 장치의 개발이 매우 중요합니다. 마찬가지로, 에너지 저장 시스템도 일상 생활에서 중요한 구성 요소가되고 있습니다. 에너지 저장 장치는 가솔린 연료 기반 운송을 전기 기반 운송으로 대체하고 미래 운송 시스템을보다 지속 가능한 전기 차량으로 전환 할 수있을 것으로 예상된다. 충전식 배터리가 수십 년 동안 전원으로 사용되었지만, 수명이 제한되는 양극과 음극 재료 사이의 이온의 셔틀로 인해 충전 / 방전이 느려집니다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 슈퍼 커패시터 (SC) 및 연료 전지는 높은 전력 밀도로 인해 급속 충전 / 방전 응용 분야에서 널리 연구되고 있지만, 에너지 밀도는 배터리 규모에 미치지 못한다. 따라서 저렴한 생산 비용으로 SC 저장 용량을 리튬 이온 배터리에 더 가깝게 만드는 새로운 재료는 저장 장치에서 획기적인 것입니다. 따라서, SC는 전해질 이온 침투가 유사한 전력을 수행하기 위해 쉽게 접근 할 수있는 다수의 전기 활성 부위로부터 상승 효과를 제공 할 수있는 계층 적 나노 구조로 개발된다. 이 연구에서 우리는 에너지 변환 및 저장 응용을위한 탄소원으로 바이오 매스 폐기물로 만다린 껍질과 브로콜리 줄기를 선택했습니다. 허니 콤 유사 구조화 된 활성탄은 KOH 및 NaOH 활성화를 사용하여 만다린 껍질로부터 유도되었다. 대칭형 슈퍼 커패시터는 240W / kg 전력 밀도에서 10.92Wh / kg의 최고 에너지 밀도를 보였으며 1740W / kg의 높은 전력 밀도에서 최대 7.06Wh / kg으로 유지되었습니다. 1A / g의 전류 밀도에서 348F / g의 최대 비정전 용량을 달성했습니다. 또한이 재료는 기존의 4-e 공정에서 RHE에 비해 0.87V의 시작 전위와 0.75V의 반파 전위로 탁월한 ORR 활성을 나타 냈습니다. 간단한 수성 보조 탄화 방법에 의해 자연적으로 질소가 풍부한 브로콜리 줄기 바이오 매스로부터 유래 된 계층 적 다공질 허니컴 탄소 네트워크. 가요 성 와이어 슈퍼 커패시터를 제조하고 450W / kg의 전력 밀도에서 3Wh / kg의 에너지 밀도 및 0.5A / g의 전류 속도에서 106F / g의 중량비 특정 커패시턴스를 나타내었다. 10mA / cm2의 전류 밀도에서 HER의 최저 전위는 184mV (vs. 가역 수소 전극)이며 OER의 경우 301mV (vs. 가역 수소 전극)입니다. 망간 계 전기 촉매는 자연 광합성 시스템의 활성 중심으로 인해 산소 발생 반응 (OER) 및 산소 환원 반응 (ORR) 적용에 큰 관심을 가지고있다. 우리는 10mA / cm2의 전류 밀도와 76mV / dec의 Tafel 기울기에 도달하기 위해 286mV의 낮은 과전 위로 우수한 수산화 활성을 나타내는 매우 안정적인 Mn3 (PO4) 2.3H2O 나노 다면체 (MnP)를 준비했습니다. 회전 디스크 전극 및 회전 링 디스크 전극 기술 둘 모두로부터 계산 된 전자 이동 수는 각각 RHE 대 0.998 V 및 0.936 V의 개시 및 반파 전위를 갖는 준 -4 전자 전송 프로세스이다. MnP는 5.7mA / cm2의 더 높은 제한 운동 전류와 1.6 %의 매우 낮은 H2O2 수율을 달성했습니다. 이 논문은 슈퍼 커패시터 및 전기 촉매 응용을위한 바이오 매스 유래 탄소 및 바이오 영향 망간 포스페이트 나노 물질의 합성 및 응용에서 귀중한 결과를 제공 하였다. 이 논문에 제시된 결과는 효율적인 전기 촉매를위한 바이오 매스 유래 활성탄 기반 슈퍼 커패시터 및 망간 인산염에 사용 된 전략을 다루는 데 도움이 될 것입니다.
The development of renewable energy conversion devices is highly essential to replace the fossil fuels and subsequent reduction of CO2 emission to prevent global warming. Likewise, the energy storage systems are also becoming a vital component in day to day life. It is anticipated that energy storag...
The development of renewable energy conversion devices is highly essential to replace the fossil fuels and subsequent reduction of CO2 emission to prevent global warming. Likewise, the energy storage systems are also becoming a vital component in day to day life. It is anticipated that energy storage devices would replace the gasoline fuel-based transportation into an electricity-based one and can transform the future transportation system into a more sustainable electric vehicle. Even though rechargeable batteries have been used as the power sources over some decades, they suffer from sluggish charge/discharge arise from the shuttling of ions between anode and cathode materials which limit their lifetime. To overcome these problems, supercapacitors (SC) and fuel cells are widely studied in rapid charge/discharge applications due to its high-power density, however, its energy density is not up to the scale of batteries. Hence, new materials that bring the SC storage capacity closer to the lithium-ion battery at cheaper production costs would be a breakthrough in storage devices. Thus, SC is developed with a hierarchical nanostructure that can offer synergetic effects from the easily accessible multiple electroactive sites for the electrolyte ions penetration to perform comparable power. In this work we have chosen mandarin peels and broccoli stem as biomass waste as carbon sources for energy conversion and storage applications. Honeycomb like structured activated carbon was derived from the mandarin peels using KOH and NaOH activation. The symmetrical supercapacitor showed a highest energy density of 10.92 Wh/kg at 240 W/kg power density maintained up to 7.06 Wh/kg at a higher power density of 1740 W/kg. A highest specific capacitance of 348 F/g at a current density of 1 A/g has been achieved. Also, the materials showed an excellent ORR activity with an onset potential of 0.87 V and half wave potential of 0.75 V vs RHE with a conventional 4-e process. Hierarchical multiporous honeycomb carbon network derived from naturally nitrogen enriched broccoli stem biomass by a simple aqueous assisted carbonization method. A flexible wire supercapacitor was fabricated and exhibited an energy density of 3 Wh/kg at a power density of 450 W/kg and a gravimetric specific capacitance of 106 F/g at a current rate of 0.5 A/g. The lowest overpotential of 184 mV (vs. reversible hydrogen electrode) for HER at a current density of 10 mA/cm2, and 301 mV (vs. reversible hydrogen electrode) for OER. Manganese-based electrocatalyst has a great attention for the oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) applications due to its active centre in nature photosynthesis system. We prepared a highly stable Mn3(PO4)2.3H2O nano-polyhedrons (MnP) which showed a good water oxidation activity with a lower overpotential of 286 mV to reach the current density of 10 mA/cm2 and a Tafel slope of 76mV/dec. The electron transfer number calculated from both the rotating disk electrode and rotating ring-disk electrode techniques is a quasi-4 electron transfer process with an onset and halfwave potential of 0.998 V and 0.936 V vs RHE respectively. MnP achieved a higher limiting kinetic current of 5.7 mA/cm2 and a very low H2O2 yield of 1.6 %. This dissertation has provided a valuable result in synthesis and application of biomass derived carbon and bioinspired manganese phosphate nanomaterials for supercapacitor and electrocatalyst applications. The results presented in this dissertation would help to address the strategies used in biomass derived activated carbon-based supercapacitors and manganese phosphate for efficient electrocatalyst.
The development of renewable energy conversion devices is highly essential to replace the fossil fuels and subsequent reduction of CO2 emission to prevent global warming. Likewise, the energy storage systems are also becoming a vital component in day to day life. It is anticipated that energy storage devices would replace the gasoline fuel-based transportation into an electricity-based one and can transform the future transportation system into a more sustainable electric vehicle. Even though rechargeable batteries have been used as the power sources over some decades, they suffer from sluggish charge/discharge arise from the shuttling of ions between anode and cathode materials which limit their lifetime. To overcome these problems, supercapacitors (SC) and fuel cells are widely studied in rapid charge/discharge applications due to its high-power density, however, its energy density is not up to the scale of batteries. Hence, new materials that bring the SC storage capacity closer to the lithium-ion battery at cheaper production costs would be a breakthrough in storage devices. Thus, SC is developed with a hierarchical nanostructure that can offer synergetic effects from the easily accessible multiple electroactive sites for the electrolyte ions penetration to perform comparable power. In this work we have chosen mandarin peels and broccoli stem as biomass waste as carbon sources for energy conversion and storage applications. Honeycomb like structured activated carbon was derived from the mandarin peels using KOH and NaOH activation. The symmetrical supercapacitor showed a highest energy density of 10.92 Wh/kg at 240 W/kg power density maintained up to 7.06 Wh/kg at a higher power density of 1740 W/kg. A highest specific capacitance of 348 F/g at a current density of 1 A/g has been achieved. Also, the materials showed an excellent ORR activity with an onset potential of 0.87 V and half wave potential of 0.75 V vs RHE with a conventional 4-e process. Hierarchical multiporous honeycomb carbon network derived from naturally nitrogen enriched broccoli stem biomass by a simple aqueous assisted carbonization method. A flexible wire supercapacitor was fabricated and exhibited an energy density of 3 Wh/kg at a power density of 450 W/kg and a gravimetric specific capacitance of 106 F/g at a current rate of 0.5 A/g. The lowest overpotential of 184 mV (vs. reversible hydrogen electrode) for HER at a current density of 10 mA/cm2, and 301 mV (vs. reversible hydrogen electrode) for OER. Manganese-based electrocatalyst has a great attention for the oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) applications due to its active centre in nature photosynthesis system. We prepared a highly stable Mn3(PO4)2.3H2O nano-polyhedrons (MnP) which showed a good water oxidation activity with a lower overpotential of 286 mV to reach the current density of 10 mA/cm2 and a Tafel slope of 76mV/dec. The electron transfer number calculated from both the rotating disk electrode and rotating ring-disk electrode techniques is a quasi-4 electron transfer process with an onset and halfwave potential of 0.998 V and 0.936 V vs RHE respectively. MnP achieved a higher limiting kinetic current of 5.7 mA/cm2 and a very low H2O2 yield of 1.6 %. This dissertation has provided a valuable result in synthesis and application of biomass derived carbon and bioinspired manganese phosphate nanomaterials for supercapacitor and electrocatalyst applications. The results presented in this dissertation would help to address the strategies used in biomass derived activated carbon-based supercapacitors and manganese phosphate for efficient electrocatalyst.
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