Carbón Activado Sostenible de Hierba Kusha (Desmostachya bipinnata) Mejora el Rendimiento de Supercapacitores

Resumen

En este trabajo demostramos la fabricación de carbón activado (CA) altamente capacitivo utilizando hierba Kusha (Desmostachya bipinnata), un residuo biológico, mediante un proceso químico seguido de activación con KOH. El carbón activado de pocas capas sintetizado se confirmó mediante difracción de rayos X en polvo, microscopía electrónica de transmisión y espectroscopía Raman. El entorno químico de la muestra preparada se analizó mediante espectroscopía FTIR y UV-visible. El área superficial y la porosidad del material sintetizado se determinaron mediante el método Brunauer-Emmett-Teller (BET). Todas las mediciones electroquímicas se realizaron mediante voltametría cíclica y carga/descarga galvanostática (GCD), enfocándonos principalmente en GCD por su precisión. El material CA sintetizado muestra una capacitancia específica máxima de 218 F g⁻¹ en una ventana de potencial de -0,35 a +0,45 V. Además, el CA exhibe una excelente densidad de energía de ~19,3 Wh kg⁻¹ y densidad de potencia de ~277,92 W kg⁻¹ en la misma ventana de potencial operativo. También ha mostrado una muy buena capacidad de retención de capacitancia incluso después de 5000 ciclos. El supercapacitor fabricado muestra buena densidad de energía y potencia, y buena retención de capacitancia a tasas de carga/descarga notablemente más altas con excelente estabilidad cíclica. Por tanto, el carbón activado derivado de hierba Kusha (DP-CA) muestra gran promesa y puede aplicarse en aplicaciones de supercapacitores debido a sus destacadas propiedades electroquímicas. Envisionamos que nuestros resultados ilustran un enfoque simple e innovador para sintetizar carbón activado derivado de residuo biológico de hierba Kusha (DP-CA) como material de electrodo emergente para supercapacitores y ampliar su aplicación práctica en campos de almacenamiento de energía electroquímica.

Introducción

En años recientes, se ha prestado mucha atención al desarrollo de modelos prometedores de almacenamiento de energía sostenible que incluyen dispositivos de conversión y almacenamiento en busca de las exigencias energéticas globales. Dispositivos de almacenamiento de energía como baterías y supercapacitores juegan roles muy significativos, eficientes y asequibles en la generación de fuentes de energía renovables y sostenibles y son alternativas viables a las opciones tradicionales no renovables. Los supercapacitores han surgido como los dispositivos de almacenamiento de energía sostenible más prometedores debido a su larga vida cíclica, alta densidad de potencia y tiempos de carga/descarga ultra-rápidos. Además, debido al floreciente campo de investigación de nanomateriales basados en carbono como grafeno, nanotubos, nanodots y puntos cuánticos, el desarrollo intensivo de dispositivos de almacenamiento de energía supercapacitores también ha aumentado. Estudios revelan que muchos trabajos de investigación se han centrado en la síntesis de materiales y sus compuestos con otros híbridos demostrando alta capacitancia, amplia ventana de potencial, menor impedancia y buena retención capacitiva. Además, la fabricación de electrodos ha atraído amplia atención con alta carga de material activado y relación masa-colector de corriente.

Los supercapacitores basados en materiales de carbono han sido ampliamente estudiados y ofrecen amplias ventanas de potencial que conducen a alta densidad de energía en presencia de electrolitos orgánicos. Por lo tanto, los supercapacitores basados en carbono muestran alta resistencia y baja capacitancia. Pero los electrolitos orgánicos son tóxicos, inflamables y comparativamente costosos. Los nanotubos de carbono, grafeno, etc., son en cierta medida costosos en sus métodos de preparación y disponibilidad de materiales primarios, lo que restringe sus aplicaciones a gran escala. Por tanto, la investigación que trata varios cambios para diferentes materiales de carbono se ha realizado para aumentar la ventana de potencial, el rendimiento supercapacitivo y menor impedancia con métodos ecológicos, rentables y fáciles de emplear.

El carbón activado con alta área superficial, abundantes asociados funcionales y suficiente porosidad se ha utilizado extensamente para adsorción, almacenamiento de gas, separación de gases, soporte de catalizador, decoloración de solventes, recuperación de solventes, electrodos y supercapacitores en las últimas décadas. Su estructura porosa y otras propiedades como alta área superficial, volumen de poros, presencia de diferentes tipos de grupos funcionales y distribución de tamaños de poros juegan un papel crucial en las aplicaciones relacionadas con la absorción del carbón activado. Dependiendo del tamaño de poro, el carbón activado puede usarse en diferentes campos de aplicación como los microporos para adsorción de moléculas pequeñas, mientras que los mesoporos se usan extensamente en la adsorción de moléculas más grandes.

Muchos factores afectan las propiedades del carbón activado como materias primas, ruta de síntesis, agente activador y condiciones ambientales durante el proceso de activación. El CA se sintetiza adoptando diferentes rutas de síntesis y precursores que son residuos biológicos/naturalmente disponibles como cáscaras de coco, neem, almidón de maíz, papel de desecho reciclado, neumáticos de desecho y fibra de plátano. El CA se sintetiza principalmente a través de procesos de activación física y química. Generalmente, el primero involucra principalmente carbonización y posterior activación en atmósfera inerte o presencia de gas como CO₂ u oxidantes, mientras que el proceso de activación química primero incluye el desarrollo de estructuras porosas añadiendo agentes activadores como ZnCl₂, NaOH, H₃PO₄ y KOH. Según estudios, ZnCl₂ no es un agente activador muy preferible debido a preocupaciones ambientales y recuperación incompetente. Por tanto, el CA activado con ZnCl₂ no ha sido adecuado para fines farmacéuticos e industriales agroalimentarios ya que tienen probabilidad de contaminar los resultados. Entre otros reactivos químicos, KOH se ha usado ampliamente ya que resulta en CAs con alta área superficial y poros bien definidos. Gonzalez et al. reportaron la activación con KOH de huesos de cereza resultando en CAs microporosos con grandes capacitancias. Yushin et al. sintetizaron CAs basados en aserrín de madera mediante carbonización hidrotérmica, seguida de activación con KOH, y estudiaron su rendimiento supercapacitivo. Ranganathan et al. ilustraron la síntesis de CAs a partir de papel de desecho usando KOH como agente activador. Exhibe una capacitancia específica de 180 F g⁻¹ en electrolito KOH. He et al. usaron una técnica rápida de calentamiento por microondas para sintetizar CAs de coques y estudiaron la relación de masa KOH-coque y tiempo de activación. Los agentes activadores juegan un papel vital durante el proceso como agentes deshidratantes previenen la progresión de varios productos intermedios. También aumenta la densidad de estructuras de tamaño poroso y reduce el tiempo de activación así como la temperatura.

En el presente trabajo, la hierba Kusha (Desmostachya bipinnata) se ha usado como precursor carbonáceo ecológico, rentable y abundante para la síntesis de carbón activado. Para sintetizar CA, se adoptó un proceso químico involucrando KOH como agente activador debido a su mejor fiabilidad. El material CA sintetizado se caracterizó mediante UV-visible, transformada de Fourier infrarroja y espectroscopía Raman. Además, para acceder a la validación de las características estructurales, el material sintetizado se caracterizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía dispersiva de energía (EDAX), TEM y técnicas XRD. Para el propósito de aplicación, se adoptaron técnicas electroquímicas y de carga galvanométrica siguiendo una ligera modificación en el electrodo con un sistema de tres electrodos. Debido a la fiabilidad de la técnica GC, se usó para otros cálculos como supercapacitancia, densidad de energía y densidad de corriente. Revela que el CA preparado exhibe excelentes propiedades supercapacitivas debido a características porosas bien definidas. Por tanto, este estudio proporciona el primero de su tipo tratando la fabricación de carbón activado (CA) altamente capacitivo usando un residuo biológico de hierba Kusha (Desmostachya bipinnata).

Métodos

Materiales

La hierba Kusha (Desmostachya bipinnata; DP) se recolectó del jardín botánico del campus BHU, Varanasi, India, mientras que hidróxido de potasio (KOH), electrodo de carbono vítreo (GCE) y polvo de alúmina se adquirieron de Sigma-Aldrich. Las soluciones acuosas usadas en todos los experimentos se prepararon usando agua desionizada (DI > 18 MΩ cm⁻¹, sistema Millipore Q).

Se emplearon diferentes técnicas analíticas para caracterizar las muestras sintetizadas. Para acceder a las características estructurales y propiedades cristalinas del carbón activado sintetizado, se realizó difracción de rayos X en polvo en un difractómetro PANalytical usando radiación CuKα (λ = 1,540 Å) a 2θ ~ 10°–80°. Las microestructuras y morfologías de superficie del material sintetizado se estudiaron mediante microscopio electrónico de transmisión (TEM, TECHNAI G² operado a 200 kV) y microscopio electrónico de barrido (Dual FIB: FEI Nanolab operado a 200 kV). La muestra TEM se preparó por deposición por gota de suspensión de polvo DP-CA sobre una rejilla recubierta de carbono seguida de suspensión ultrasónica en agua DI. Además, algunas características estructurales adicionales del carbón activado sintetizado se confirmaron mediante espectroscopía Raman. La medición de dispersión Raman se realizó con excitación láser He-Ne de 532 nm usando un espectrómetro Raman (Renishaw inVia, Reino Unido). Además, se empleó un espectrómetro de transformada de Fourier infrarroja (FTIR) (Bruker ALPHA II) para investigar la presencia de grupos funcionales unidos a la muestra sintetizada. Las propiedades ópticas se evaluaron mediante espectroscopía de absorción UV-luz visible registrada a través de lámparas fluorescentes (λ = 365 nm) (PerkinElmer, Lambda 25). El área superficial y distribución de tamaño de poro de la muestra de carbón activado preparada se midieron empleando análisis de adsorción/desorción de nitrógeno líquido adoptando el método automático Brunauer-Emmett-Teller (BET) (micromeritics FlowPrer 060, Gemini VII, EE. UU.).

Síntesis de Carbón Activado

Brevemente, la hierba Kusha (DP) se cortó y lavó suavemente varias veces con agua DI hasta que el sobrenadante resultó incoloro. DP se mantuvo en horno a 100 °C durante 5 h y se carbonizó durante 2 h en un horno muffle mantenido a 700 °C. Para la activación, se mezcló en KOH probado (p/p 1:4) con ayuda de mortero-pistilo, y posteriormente se recolectó la mezcla homogénea. Luego se mantuvo en un horno tubular a 700 °C durante 2 h en ambiente de argón. La mezcla se enfrió a temperatura ambiente, y la mezcla recibida se lavó varias veces con agua DI hasta que el pH alcanzó un valor de ~7. Finalmente, obtuvimos el producto como carbón activado y lo guardamos en un recipiente para experimentos y mediciones posteriores. El proceso general se ilustra en la Fig. 1.

Preparación del Electrodo

Un electrodo de carbono vítreo (GCE) de diámetro ~0,3 cm se pulió con suspensión de alúmina (0,05 μm). En el siguiente paso, se usó agua DI para limpiar la superficie del GCE. Se lavó 3-4 veces con agua DI y se ultrasonificó durante 15-20 min en agua DI y etanol. Para la deposición de CA, 1 mg de material activo (CA) se disolvió en agua DI (1 mL) y se ultrasonificó durante 15 min. Además, 10 μL de la solución preparada se depositaron por gota sobre GCE, con ayuda de micropipeta, y se secaron bajo luz de lámpara sin contacto cercano para prevención de contaminación.

Pruebas Electroquímicas

Los experimentos electroquímicos se realizaron en la estación de trabajo multicanal CHI-660C con un sistema de tres electrodos usando hilo de Pt, Ag/AgCl y electrodo de carbono vítreo como contraelectrodo, electrodo de referencia y electrodo de trabajo, respectivamente. Se aplicó un electrolito acuoso alcalino 6 M KOH para realizar las mediciones. Se realizó voltametría cíclica a diferentes velocidades de barrido (10-200 mV s⁻¹) con ventana de potencial de barrido -0,35 V a +0,45 V. Los diferentes parámetros electroquímicos se accedieron usando las siguientes ecuaciones.

La capacitancia específica se evaluó como:

$$C_s = \frac{I_{Avg}}{\nu \times m}$$ (1)

donde \(I_{Avg} = I_{max} - I_{min}\) y también m e ν representan la masa del material de carga (g) y velocidad de barrido (v/s), respectivamente. Además, C_s tiene unidad de F g⁻¹.

Dado que la técnica de carga-descarga galvanostática (GCD) es más fiable y da resultados más precisos, adoptamos la técnica GCD para cálculos adicionales. Calculamos la capacitancia específica usando la ecuación:

$$C_s = \frac{I \times \Delta t}{\Delta V \times m}$$ (2)

donde I, Δt, ΔV e m representan la corriente (A), período de descarga (s), ventanas de voltaje (V) y masa del material de carga (g), respectivamente.

Además, la densidad de energía (E) y densidad de potencia (P) se dedujeron mediante las ecuaciones:

$$E = \frac{C_s \times \Delta V^2}{7.2} \quad (\text{Wh/kg})$$ (3)

$$P = \frac{E \times 3600}{\Delta t} \quad (\text{W/kg})$$ (4)

Resultados y Discusión

Difracción de Rayos X

Para acceder a información sobre la grafitización del material de carbón activado sintetizado, se adoptó la técnica XRD. El perfil XRD (Fig. 2a) muestra claramente los picos característicos del material de carbón activado a 22° y 43°. La intensidad y posición de los picos revelan el bajo grado de grafitización, regularidades de la estructura cristalina y formación de K₂CO₃ (2θ = 36,52°) como producto intermedio. Además, los picos característicos obtenidos pueden asignarse a los planos de reflexión (002) y (100) para el DP-CA. El pico ancho en el espectro estipula el carbono amorfo, mientras que la nitidez del pico asignado a 22° muestra el orden translacional aumentado en la muestra de carbono a alta temperatura. Estos resultados confirman la formación exitosa del material CA sintetizado.

Análisis Raman

Además, el material se caracterizó mediante espectroscopía Raman, una técnica muy pronunciada para caracterizar diversos materiales carbonáceos. Se observaron dos picos más intensos en el espectro Raman del material de carbón activado posicionados a 1346 cm⁻¹ (pico D) y 1587 cm⁻¹ (pico G) como se muestra en la Fig. 2b. El pico D es característico de defectos de red, imperfecciones de bordes, alineación descuidada y estructura graítica de baja simetría en material de carbón activado, y el segundo pico, es decir, pico G, demuestra la ocurrencia de vibraciones de estiramiento C=C. Además, exhibe dos bandas más en números de onda más altos 2678 cm⁻¹ (2D) y 2840 cm⁻¹ (S3) debido al sobretono de carbono y revela la presencia de material de carbono de pocas capas y la naturaleza graítica del material de carbón activado.

Además, el grado de grafitización se calculó mediante la ecuación:

$$R = \frac{I_D}{I_G}$$ (6)

donde R, I_D e I_G representan el grado de grafitización, la intensidad del pico D posicionado a 1346 cm⁻¹ y la intensidad del pico G posicionado a 1587 cm⁻¹, respectivamente. Tras el cálculo, el valor de R se encontró ~0,84, lo que se refiere a un índice de grafitización más alto en cierta medida.

Caracterización Morfológica y Análisis de Rayos X Dispersivos en Energía (EDX)

Para explorar las características microestructurales y morfología de superficie del material sintetizado, se analizaron imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) como se muestra en Fig. 3a, b. La morfología sugiere la presencia de poros irregulares grandes en el DP-CA sintetizado. La ocurrencia de estructuras de poros irregulares y desordenados en la superficie explica el ataque violento del reactivo KOH. Los poros de DP-CA desarrollados durante la pirólisis son cruciales para mejorar el área superficial y volumen de poros del carbón activado promoviendo la difusión de moléculas de KOH en los poros y aumentando así la reacción de carbono, que se asume aquí genera poros adicionales en el CA. La estructura de gran tamaño de poro en la superficie del material de carbón activado ha sido ventajosa para aplicaciones de almacenamiento de carga como supercapacitores. Además, el análisis elemental del material de carbón activado sintetizado (Fig. 3c) se realizó mediante técnica espectroscópica de rayos X dispersivos en energía y revela la existencia de carbono, oxígeno y potasio en él.

Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) y Distribución de Tamaño de Partículas

Además, para autenticar más información estructural, dimensiones de calidad cristalina de la muestra preparada, se realizó microscopía electrónica de transmisión (TEM). Las imágenes TEM infieren la presencia de varias estructuras de tamaño de poro que pueden verse como sitios transparentes (circulados en color amarillo) en Fig. 4a, b. Además, el patrón SAED revela la naturaleza amorfa del material de carbón activado como se muestra en el recuadro de la Fig. 4a.

Análisis de Absorción UV-Visible y FTIR

El espectro de absorción UV-visible del material de carbón activado sintetizado se registró y se representa en Fig. 5a. Posee un pico de absorción característico a 264 nm debido a las transiciones electrónicas entre los orbitales π enlazantes y antienlazantes.

Las propiedades químicas de superficie del material de carbón activado sintetizado se analizaron mediante espectroscopía FTIR y se muestran en Fig. 5b. Da detalles de los grupos funcionales asociados en el material de carbón activado. La aparición de una banda de absorción a 3115 cm⁻¹ y un pico pequeño a 2368,78 cm⁻¹ se debe a vibración de estiramiento -OH de grupos funcionales hidroxilo. El pico a 1624,63 cm⁻¹ está asociado a estiramiento -C=C de anillos aromáticos, que puede formarse debido a la descomposición de enlaces C-H para formar un grupo -C=C más estable a temperatura de activación más alta. Las bandas de absorción fuertes a 1459,46, 1361,78, 1146,88, 1010,13 y 862,72 cm⁻¹ confirman la presencia de -C-C (conjugado con -C=C), vibración -CH₃, estiramiento C-N, modos de estiramiento C-O de éster y estiramiento simétrico -C-O en el material de carbón activado sintetizado, respectivamente. Además, el pico de absorción fuerte a 706,43 cm⁻¹ se atribuye a flexión -C=C en el DP-CA sintetizado.

Análisis BET

Isotermas de Adsorción y Desorción de N₂

La porosidad en el material de carbono se generó con activación a través de reactivo KOH durante la síntesis. La estructura de poros y área superficial se consideran factores significativos para la capacidad de supercapacitor o ultracapacitor de los materiales. El DP-CA sintetizado se analizó mediante prueba de adsorción-desorción de N₂ basada en el principio BET para características de estructura de poros y área superficial. La Figura 6a muestra la isoterm de adsorción-desorción de nitrógeno de DP-CA activado a través de K₂CO₃. La forma de la isoterm de adsorción-desorción de N₂ se asume como isoterm de tipo mixto, es decir, incluye isotermas II y IV. La isoterm tipo II asumida como combinación de isotermas tipo I y II es indicativa de la existencia de naturaleza microporosa. La parte inicial (forma cóncava) demuestra la cobertura completa de monocapa y absorción adicional de multicapa. Por tanto, la isoterm tipo II revela buen acuerdo en estructuras microporosas y microporosas. A presión relativamente más alta, la captación del gráfico significa notablemente isotermas tipo IV teniendo un bucle de histéresis. Además, la isoterm tipo IV se atribuye a adsorción de monocapa y multicapa acompañando condensación capilar que ocurre en poros cónicos en forma de rendija. Además, el área superficial y diámetro de tamaño de poro se evaluaron usando la ecuación BET (Eq. 7).

$$\frac{1}{Q\left(\left(\frac{P_0}{P}\right) - 1\right)} = \frac{1}{Q_m C} + \frac{C - 1}{Q_m C}\left(\frac{P}{P_0}\right)$$ (7)

donde (P/P₀) representa la presión relativa y Q, Q_m e C representan el peso de gas adsorbido, adsorbato como monocapa y constante BET, respectivamente. Los parámetros de área superficial como área superficial BET, área superficial micro- y mesoporosa, volumen total de poros, volumen micro- y mesoporoso y diámetro medio de poro de DP-CA se dedujeron y se resumen en Archivo adicional 1: Tabla S2 de la sección Información Suplementaria.

Distribución del Tamaño de Poros del DP-CA

La Figura 6a (recuadro) muestra una línea recta para la cantidad absorbida vs presión relativa (P/P₀), que es un buen acuerdo para el cálculo del área superficial total. La Figura 6b muestra la distribución del tamaño de poros contra el volumen diferencial. Para investigar la distribución del tamaño de poros, se realizó análisis BJH. El diámetro medio del tamaño de poro y ancho de la muestra de carbón activado preparada se encontraron como ~3,3 nm y ~2,3 nm, respectivamente. El volumen medio de poro correspondiente fue 0,126 cm³ g⁻¹. La Figura 6b (recuadro) muestra la vista ampliada del volumen diferencial BJH y distribución del diámetro de tamaño de poro para DP-CA. La curva isoterm BET revela que el área superficial posee un valor de ~738,56 m² g⁻¹, lo que infiere la existencia de meso- y macroporos en la muestra sintetizada. Materiales con alta relación superficie-volumen y abundancia de mesoporos estimulan suficiente almacenamiento de carga (densidad de energía) y cinética rápida de transferencia de carga (densidad de potencia), respectivamente, y son crucialmente prominentes en almacenamiento de energía avanzado.

Análisis Electroquímico

Voltametría cíclica (CV), carga-descarga galvanostática (GCD) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se usaron para observar el rendimiento electroquímico de DP-CA para supercapacitor. Todas las investigaciones se realizaron con un sistema de tres electrodos en 6 M KOH como solución electrolítica.

La evaluación del rendimiento electroquímico usando CV se resume en Fig. 7a. La figura muestra curvas CV a velocidades de barrido variadas en el rango de 10-200 mV s⁻¹ dentro de la ventana de potencial de 0,35 V a +0,45 V y muestra la forma rectangular de la curva voltamétrica cíclica de CA. La Figura 7b muestra una característica común de un dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica. Una baja velocidad de barrido exhibe un valor más alto de capacitancia específica que a una velocidad más alta ya que a baja velocidad de barrido, los iones en el electrolito pueden difundir en los poros accesibles del electrodo, permitiendo buena interacción entre los iones y poros del electrodo. A velocidades más altas, pobre accesibilidad o menor disponibilidad de tiempo para que iones hidroxilo se transfieran del electrolito a la superficie del electrodo, y así los iones causan que la capacitancia específica disminuya. Hemos observado capacitancia específica máxima a 10 V s⁻¹ velocidad de barrido, mientras que la velocidad de barrido disminuye de 160 a 10 V s⁻¹. La alta área superficial y alta porosidad juegan un papel crucial para poseer alta capacitancia. Además, la forma rectangular cerrada del CV atribuye a la optimización del volumen combinado de microporos y mesoporos así como buena conductividad eléctrica. Por tanto, la capacitancia específica más alta, C_SP como ~220,70 F g⁻¹ se encontró a 10 mV s⁻¹ para DP-CA calculada usando Eq. 1.

Estos excelentes rendimientos de DP-CA atribuyen a su estructura porosa en forma de hoja que juega un papel vital para iones de electrolito permitiendo transporte y almacenamiento de carga rápido.

Además, la capacitancia electroquímica y eficiencia coulombiana se dedujeron del rendimiento electroquímico del material de electrodo empleando la técnica de carga-descarga galvanostática en una ventana de potencial fija a situaciones de corriente controlada a diferentes densidades de corriente 0,7, 0,9, 1,5, 1,8 y 2 A g⁻¹. Muestra un perfil galvanométrico casi triangular (Fig. 7c), significando la característica EDLC en el electrodo DP-CA. La máxima C_SP se dedujo como 218 F g⁻¹ a una densidad de corriente de 0,7 A g⁻¹ para DP-CA de la Eq. 2. La Figura 7d muestra la variación de capacitancia específica con densidad de corriente. A medida que la densidad de corriente aumenta gradualmente, la capacitancia específica disminuye lentamente. Se sabe que cuando la corriente de carga se vuelve más rápida, es difícil para los iones de electrolito difundir rápidamente en los poros correspondientes del material de electrodo. Además, dado que la estabilidad cíclica del material es un parámetro crucial para usos prácticos del supercapacitor, se realizó la ciclabilidad del material de electrodo DP-CA. La Figura 7e muestra que ~88% de la capacitancia específica inicial se retiene y sugiere su capacidad para carga y descarga rápida sin apenas degradación incluso después del ciclo 5000 y a su vez confirma la durabilidad del material preparado.

Para validar aún más el rendimiento del material DP-CA sintetizado para aplicaciones de almacenamiento de energía en la vida práctica, la densidad de energía y potencia se consideran dos parámetros vitales y se dedujeron del perfil de carga/descarga usando Ecs. 3 y 4. Exhibe una densidad de energía máxima de 19,3 Wh kg⁻¹ con una densidad de potencia razonablemente buena de 277 W kg⁻¹ evaluada en rango -0,35 V a +0,45 V y se muestra en Fig. 8a. Así, de acuerdo con el gráfico Ragone, hemos desarrollado un supercapacitor con densidad de energía mejorada y sin pérdida en densidad de potencia que puede usarse prácticamente. También, notable C_SP en una amplia ventana de potencial demuestra un aumento suficiente en la densidad de energía del DP-CA sintetizado. Algunos cálculos extendidos relacionados con el rendimiento del supercapacitor se dedujeron y así se muestran en Archivo adicional 1: Tabla.S1.

La técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se adoptó para investigar las propiedades interfaciales como caracteres capacitivos y resistivos del material sintetizado en la interfaz electrodo-electrolito a través del diagrama de Nyquist (Fig. 8b) y diagrama de Bode (Archivo adicional 1: Fig.S1). La Fig. 8b ilustra el diagrama de Nyquist entre –Z" (parte imaginaria) y Z' (parte real) medido en rango de frecuencia de 0,01 Hz a 0,1 GHz a amplitud AC de 5 mV en potencial de circuito abierto. Muestra resistencia eléctrica de 1,58 Ω junto con un diámetro pequeño de semicírculo confirmando alta conductividad y baja resistencia interna. La intersección entre la curva y eje horizontal representa la resistencia eléctrica total del dispositivo. El diámetro del semicírculo en alta frecuencia se debe a la resistencia de transferencia de carga entre material de electrodo y electrolito, y la pendiente de la cola en baja frecuencia atribuye a la tasa de difusión iónica en el electrolito. Por tanto, un electrodo con DP-CA sintetizado se adapta bien para aplicaciones de supercapacitor.

Conclusión

En resumen, una estrategia de síntesis muy nueva, fácil y de bajo costo se ha ilustrado en el presente estudio para el desarrollo de material de carbón activado con poros bien desarrollados y alta área superficial a partir de un precursor natural hierba Kusha. Demuestra una síntesis sostenible, ecológica, fácil de emplear, sin ningún procedimiento complejo post-síntesis para aplicación de almacenamiento de energía como supercapacitor. El DP-CA fabricado con excelentes propiedades se usó como material de electrodo para supercapacitores electroquímicos. La ruta permite una ligera modificación del sistema de electrodo con una carga de 1 × 10⁻⁵ g muestra DP-CA y exhibe una relación colector-corriente-masa significativamente alta. La capacitancia específica más alta se observó con técnica CV como 220,70 F g⁻¹ y con GCD como 218 F g⁻¹ en una amplia ventana de potencial operativo, que es comparativamente más alta que trabajos reportados en base a síntesis verde. El supercapacitor fabricado muestra buena densidad de energía y potencia como 19,3 Wh kg⁻¹ y 277,92 W kg⁻¹, respectivamente, y buena retención en capacitancia a tasas de carga/descarga notablemente más altas con excelente estabilidad cíclica. Por tanto, el carbón activado derivado de residuo biológico de hierba Kusha (DP-CA) con rendimiento electroquímico óptimo puede explorarse exitosamente a escala real, y dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica con material CA basado en hierba Kusha pueden realizarse en un corto período.