چگونه فیلتر سیگار به انرژی پاک کمک می کند؟

به گزارش رکنا، پژوهشگران با انجام فرآیندهای شیمیایی بر روی فیلترهای دورریخته شده سیگار، موفق شده اند کربن های نانومتخلخل تولید کنند که قابلیت به کارگیری به عنوان الکترود در ابرخازن ها را دارند. این روش نه تنها به حل مشکل بزرگ زیست محیطی کمک می کند، بلکه راهی مقرون به صرفه برای تولید مواد پیشرفته در صنعت انرژی فراهم کرده است.

چالش زیست محیطی فیلتر های سیگار

سالانه مقادیر فراوانی از فیلترهای سیگار دورریخته می شوند که با انتشار مواد شیمیایی سمی، آسیب جدی به خاک و آب وارد می کنند. مطالعات جدید نشان می دهند که این زباله ها می توانند به منابعی ارزشمند برای فناوری های انرژی پاک بدل شوند. پژوهشگران موفق شده اند با تبدیل فیلترهای سیگار به مواد کربنی پیشرفته، امکان استفاده از پسماندهای خطرناک در تولید اجزای بهینه برای ابرخازن ها را فراهم سازند.

ابرخازن ها؛ جایگزینی نوین در ذخیره سازی انرژی

ابرخازن ها ابزارهایی هستند که انرژی را به وسیله ذخیره بار الکتریکی بر سطح الکترودها ذخیره می کنند و برخلاف باتری های لیتیوم یونی، به واکنش های شیمیایی وابسته نیستند. سرعت بالا در شارژ و تخلیه، تحویل توان بالا و دوام طولانی مدت، از ویژگی های برجسته این دستگاه ها است. اما عملکرد این فناوری به عواملی چون سطح موثر و رسانایی الکتریکی الکترودها وابسته است که پژوهشگران برای بهبود آن از مواد کربنی نانومتخلخل استفاده کرده اند.

تحولی جدید با استفاده از زیست توده

محققان دریافته اند که زیست توده ها می توانند به عنوان گزینه ای پایدار برای ساخت مواد الکترودی مورد استفاده قرار گیرند. فیلترهای سیگار به دلیل ساختار تشکیل شده از سلولز و استات سلولز، پتانسیل بالایی برای تبدیل به کربن نانومتخلخل دارند. این پتانسیل تا پیش از این عمدتاً ناشناخته باقی مانده بود.

فرآیند تولید مواد پیشرفته

تیمی از دانشگاه هِنان یک روش دو مرحله ای را برای تولید مواد الکترودی از فیلترهای سیگار توسعه داده است. نخست، فیلترها تحت شرایطی با دما و فشار بالا قرار می گیرند تا پیش ماده ای کربنی حاوی نیتروژن تولید شود. سپس، با استفاده از پتاسیم هیدروکسید، ساختار داخلی ماده شکل داده می شود. این فرآیند به کنترل دقیق ابعاد حفره ها و خواص الکتریکی ماده کمک می کند.

در جریان این فرآیند، کره های کربنی ابتدا متراکم هستند اما به مرور به شبکه های سه بعدی نانومتخلخل تبدیل می شوند که امکان حرکت سریع یون ها و الکترون ها را فراهم می کند. اندازه گیری جذب گاز تأیید کرده است که مواد به ترکیبی از حفره های میکروسکوپی و مزوسکوپی دست یافته اند که برای ذخیره سازی انرژی بهینه هستند.

نقش اتم های نیتروژن و اکسیژن

بررسی های شیمیایی نشان می دهند که اتم های نیتروژن و اکسیژن به طور یکنواخت در شبکه کربنی جای گرفته اند. این ترکیبات موجب افزایش رسانایی و ظرفیت خازنی کلی ماده شده اند.

آزمون ها حاکی از عملکرد قوی این مواد هستند؛ یک نمونه به ظرفیت خازنی ویژه ۳۴۴.۹۱ فاراد بر گرم دست یافت و پس از ۱۰٬۰۰۰ چرخه، ۹۵.۴۴ درصد از ظرفیت اولیه خود را حفظ کرد. استفاده از این ماده در ابرخازن های متقارن توانسته است چگالی انرژی و توان بالایی را ارائه دهد و عملکرد قابل توجه تری از مواد کربنی دیگر داشته باشد.

این دستاورد نشان می دهد که فیلترهای سیگار می توانند از یک زباله زیست محیطی به منبعی ارزشمند در صنعت انرژی تبدیل شوند و کمک شایانی به توسعه فناوری های پاک نمایند.