СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОДНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ЧАЙНОЙ БИОМАССЫ МЕТОДОМ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Данная статья посвящена получению углеродного материала из отходов чая для систем накопления энергии и исследованию его свойств. Процесс синтеза осуществлялся методом микроволновой карбонизации и физической активацией в атмосфере CO₂. Морфологические и структурные характеристики образцов были определены с использованием методов сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа и рамановской спектроскопии. Синтезированный активированный углерод отличался высокой пористостью и достаточной электропроводностью. По результатам рентгенофазового анализа наблюдались дифракционные пики (002) и (100), что свидетельствует о склонности полученного углеродного материала к образованию графитоподобной структуры. В спектре Рамана были зафиксированы пики D (≈1350 см⁻¹) и G (≈1580 см⁻¹), указывающие на наличие дефектов и графитовых доменов в структуре углерода. Отношение интенсивностей I_D/I_G составило 0,73, что свидетельствует о средней упорядоченности материала. Электрохимические характеристики активированного углерода, полученного из чайных отходов, были исследованы методами циклической вольтамперометрии, гальваностатического заряд-разряда и импедансной спектроскопии. Согласно результатам, при плотности тока 500 мА/г удельная емкость углерода достигла 116 Ф/г. Полученные данные подтверждают перспективность разработки углеродных материалов для суперконденсаторов и их потенциал в повышении эффективности устройств накопления энергии.

1. H.A. Behabtu, M. Messagie, T. Coosemans, M. Berecibar, K. Anlay Fante, A.A. Kebede, J.V. Mierlo, A Review of Energy Storage Technologies’ Application Potentials in Renewable Energy Sources Grid Integration, Sustainability 12 (2020) 10511. https://doi.org/10.3390/su122410511.

2. J. Mitali, S. Dhinakaran, A.A. Mohamad, Energy storage systems: a review, Energy Storage Sav. 1 (2022) 166–216. https://doi.org/10.1016/j.enss.2022.07.002.

3. M.R. Sarker, M.H.M. Saad, A. Riaz, M.S.H. Lipu, J.L. Olazagoitia, Micro Energy Storage Systems in Energy Harvesting Applications: Analytical Evaluation towards Future Research Improvement, Micromachines 13 (2022) 512. https://doi.org/10.3390/mi13040512.

4. J. Castro-Gutiérrez, A. Celzard, V. Fierro, Energy Storage in Supercapacitors: Focus on Tannin-Derived Carbon Electrodes, Front. Mater. 7 (2020) 217. https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00217.

5. u V.M.G. Ch, Review of battery-supercapacitor hybrid energy storage systems for electric vehicles, (2024).

6. D. Deng, Li‐ion batteries: basics, progress, and challenges, Energy Sci. Eng. 3 (2015) 385–418. https://doi.org/10.1002/ese3.95.

7. C.V.M. Gopi, R. Ramesh, Review of battery-supercapacitor hybrid energy storage systems for electric vehicles, Results Eng. 24 (2024) 103598. https://doi.org/10.1016/j. rineng.2024.103598.

8. M.T. Lawder, B. Suthar, P.W.C. Northrop, S. De, C.M. Hoff, O. Leitermann, M.L. Crow, S. Santhanagopalan, V.R. Subramanian, Battery Energy Storage System (BESS) and Battery Management System (BMS) for GridScale Applications, Proc. IEEE 102 (2014) 1014–1030. https://doi.org/10.1109/JPROC.2014.2317451.

9. I. T.M.W.J. Bandara, A.M.B.S. Alahakoon, B.-E. Mellander, Albinsson, Activated carbon synthesized from Jack wood biochar for high performing biomass derived composite double layer supercapacitors, Carbon Trends 15 (2024) 100359. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2024.100359.

10. Y. Dou, X. Liu, K. Yu, X. Wang, W. Liu, J. Liang, C. Liang, Biomass porous carbon derived from jute fiber as anode materials for lithium-ion batteries, Diam. Relat. Mater. 98 (2019) 107514. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.107514.

11. G. Greco, R.L.S. Canevesi, C. Di Stasi, A. Celzard, V. Fierro, J.J. Manyà, Biomass-derived carbons physically activated in one or two steps for CH4/CO2 separation, Renew. Energy 191 (2022) 122–133. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.04.035.

12. X. Liu, C. Ma, J. Li, B. Zielinska, R.J. Kalenczuk, X. Chen, P.K. Chu, T. Tang, E. Mijowska, Biomass-derived robust three-dimensional porous carbon for high volumetric performance supercapacitors, J. Power Sources 412 (2019) 1–9. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.11.032.

13. M. Selvam S, B. Paramasivan, Microwave assisted carbonization and activation of biochar for energy-environment nexus: A review, Chemosphere 286 (2022) 131631. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131631.

14. P.N.Y. Yek, R.K. Liew, M.S. Osman, C.L. Lee, J.H. Chuah, Y.-K. Park, S.S. Lam, Microwave steam activation, an innovative pyrolysis approach to convert waste palm shell into highly microporous activated carbon, J. Environ. Manage. 236 (2019) 245–253. https://doi.org/10.1016/j. jenvman.2019.01.010.

15. R. Hoseinzadeh Hesas, A. Arami-Niya, W.M.A. Wan Daud, J.N. Sahu, Preparation and Characterization of Activated Carbon from Apple Waste by Microwave-Assisted Phosphoric Acid Activation: Application in Methylene Blue Adsorption, BioResources 8 (2013) 2950–2966. https://doi.org/10.15376/biores.8.2.2950-2966.

16. X. Bo, K. Xiang, Y. Zhang, Y. Shen, S. Chen, Y. Wang, M. Xie, X. Guo, Microwave-assisted conversion of biomass wastes to pseudocapacitive mesoporous carbon for high-performance supercapacitor, J. Energy Chem. 39 (2019) 1–7. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.01.006.

17. Y. Cheng, M. Chen, K. Xia, H. Li, G. Xu, L. Yang, Z. Zhao, P. Liu, L. Wang, Rapid conversion of biomass to hierarchical porous carbons via one-step microwave carbonization/ activation for long cycle-stable supercapacitor and zinc-ion capacitor, J. Power Sources 624 (2024) 235523. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235523.

18. R. Jiménez-Pérez, M.I. González-Sánchez, A. GomisBerenguer, J. Iniesta, E. Valero, Enhanced surface properties and electrochemical performance of carbon-based screen-printed electrodes via hydrogen peroxide activation, Electrochimica Acta 536 (2025) 146721. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2025.146721.

19. M.K. Nayak, B.B. Sahoo, D.N. Thatoi, S. Nazari, R. Ali, A.J. Chamkha, Recent advances on supercapacitor electrode materials from biowastesa review, J. Sci. Adv. Mater. Devices 9 (2024) 100734. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2024.100734.

20. Ö. Gerçel, H.F. Gerçel, Preparation and Characterization of Activated Carbon from Vegetable Waste by MicrowaveAssisted and Conventional Heating Methods, Arab. J. Sci. Eng. 41 (2016) 2385–2392. https://doi.org/10.1007/s13369-015-1859-7.

21. A. Ahmad, M.A. Gondal, M. Hassan, R. Iqbal, S. Ullah, A.S. Alzahrani, W.A. Memon, F. Mabood, S. Melhi, Preparation and Characterization of Physically Activated Carbon and Its Energetic Application for All-Solid-State Supercapacitors: A Case Study, ACS Omega 8 (2023) 21653–21663. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c01065.

22. A. Taurbekov, A. Abdisattar, M. Atamanov, M. Yeleuov, C. Daulbayev, K. Askaruly, B. Kaidar, Z. Mansurov, J. Castro-Gutierrez, A. Celzard, V. Fierro, T. Atamanova, Biomass Derived High Porous Carbon via CO Activation for Supercapacitor Electrodes, J. Compos. Sci. 7 (2023) 444. https://doi.org/10.3390/jcs7100444.

23. R. Farma, Y. Tania, I. Apriyani, Conversion of hazelnut seed shell biomass into porous activated carbon with KOH and CO2 activation for supercapacitors, Mater. Today Proc. 87 (2023) 51–56. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.02.099.