### تبدیل پسماند فیلترهای سیگار به مواد پیشرفته برای ذخیرهسازی انرژی
به گزارش خبرآنلاین، تیمی از پژوهشگران موفق به پردازش فیلترهای دورریخته شده سیگار و ساخت کربنهای نانومتخلخل شدهاند که میتوانند به عنوان الکترود در ابرخازنها، یا ذخیرهسازهای فوقسریع انرژی، استفاده شوند. این یافته علاوه بر رفع یک مسئله عمده زیستمحیطی، قدمی به سوی تولید مواد پیشرفته و اقتصادی در صنعت انرژی به شمار میآید.
براساس گزارش ایرنا، فیلترهای سیگار به عنوان یکی از پرتعدادترین زبالههای دنیا شناخته میشوند که سالانه میلیونها تن از آنها به طبیعت افزوده شده و مواد شیمیایی سمی خود را به خاک و آبها نشت میدهند. پژوهش جدید نشان میدهد که این زبالهها میتوانند به منبعی ارزشمند برای تکنولوژی انرژی پاک تبدیل گردند. با تبدیل فیلترهای سیگار به مواد کربنی پیشرفته، راهی برای تبدیل این پسماندهای خطرناک به اجزای سودمند برای ابرخازنها یافتهاند.
ابرخازنها به عنوان دستگاههای ذخیرهسازی انرژی طراحی شدهاند که با سرعت و دوام بالا عمل میکنند. بر خلاف باتریهای لیتیومیونی که به واکنشهای شیمیایی وابستهاند، ابرخازنها انرژی را از طریق انباشت بار الکتریکی روی سطح الکترودها ذخیره میکنند، به همین دلیل میتوانند در مدت زمان کوتاهی شارژ و دشارژ شوند و انرژی بالایی را ارائه دهند.
یکی از چالشهای عمده در این فناوری، وابستگی بالا به ویژگیهای الکترودهاست. کیفیت ابرخازنها به سطح موثر، ساختار حفرهای و رسانایی الکتریکی بستگی دارد که نحوه حرکت بارها و یونها را تحت تأثیر قرار میدهد. مواد کربنی حاصل از زیستتوده به عنوان یک جایگزین پایدار برای مواد معمولی الکترود مورد توجه قرار گرفتهاند. فیلترهای سیگار نیز از آن جهت مهم هستند که عمدتاً از سلولز و استات سلولز تشکیل شدهاند و میتوانند با پردازش مناسب به کربن نانومتخلخل تبدیل شوند.
مطالعهای از دانشگاه هِنان در نشریه “انرژی و پیوند محیطی” منتشر شده که به هر دو جنبه زیستمحیطی زبالههای سیگار و نیاز به مواد کمهزینه و مؤثر برای ذخیرهسازی انرژی پرداخته است. این تیم همچنین راهی مقیاسپذیر برای تبدیل این فیلترها به الکترودهای کربنی با عملکرد بالا در ابرخازنها ارائه کردهاند.
### فرآیند دو مرحلهای: از زباله به ماده پیشرفته
در فرآیند این پژوهش، پژوهشگران از ترکیبی از کربنیزاسیون هیدروترمال و فعالسازی شیمیایی استفاده کردند. نخست فیلترهای سیگار را تحت شرایط ویژهای با دمای بالا قرار دادند تا یک پیشماده کربنی تولید کنند. در مرحله بعد، این ماده را با پتاسیم هیدروکسید فعال کردند تا ساختار آن بهبود یابد. این رویکرد باعث رسیدن به ترکیبی از حفرههای میکروسکوپی و مزوسکوپی شده که برای ذخیرهسازی انرژی مناسب است.
مطالعات میکروسکوپی نشان داد که با تغییرات در فرآیند، شکل و ساختار ماده تغییر کرده و به شبکههای نانومتخلخل تبدیل شده است. نمونهای که در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد تولید شده، عملکرد بسیار خوبی از خود نشان داده و تواناییهای الکتریکی بالایی دارد. تحقیقات نشان میدهد که استفاده از دما برای فعالسازی به حفظ ساختار مطلوب و جلوگیری از عیوب کمک کرده است.
این پیشرفتها میتواند به تحول در فناوریهای ذخیرهسازی انرژی و همچنین بهبود مشکلات زیستمحیطی ناشی از زبالههای سیگار کمک کند.**تحول در فناوری ذخیرهسازی با استفاده از نیتروژن و اکسیژن در کربن**
تحقیقات اخیر نشان داده است که نیتروژن و اکسیژن بهصورت یکنواخت در ساختار شبکهای کربن جایگزین شدهاند. این تغییرات باعث بهبود رسانایی و ایجاد بارهای اضافی از طریق واکنشهای سطحی شده که در نتیجه، ظرفیت خازنی کلی ماده افزایش یافته است.
آزمونهای الکتروشیمیایی تأیید کننده قدرت بالای این ماده بوده است. در یک آرایه نمونه سهالکترودی، یکی از بهترین نمونهها توانسته است به ظرفیت خازنی ویژه ۳۴۴.۹۱ فاراد بر گرم در چگالی جریان ۱ آمپر بر گرم دست یابد. این ماده همچنین در شرایط شارژ و دشارژ سریع نیز عملکرد خود را حفظ کرده و پس از ۱۰ هزار چرخه، ۹۵.۴۴ درصد از ظرفیت خازنی ابتدایی خود را حفظ کرده است که نشاندهنده پایداری بالا آن میباشد.
زمانی که این ماده در ساخت یک ابرخازن متقارن کامل بهکار گرفته شد، دستگاه موفق به دستیابی به چگالی انرژی ۲۴.۳۳ واتساعت بر کیلوگرم و چگالی توان ۳۷۳.۷۱ وات بر کیلوگرم شد، که از بسیاری از مواد کربنی مشتقشده از زیستتوده و برخی کربنهای فعال تجاری بهتر عمل کرد.
این نتایج نشاندهنده اهمیت کنترل دقیق شرایط پردازش است که تأثیر مستقیم بر ساختار حفرهای، شیمی سطح و نظم کربنی دارد و تمامی این عوامل در کنار هم، عملکرد الکتروشیمیایی بسیار قدرتمندی را به ارمغان میآورند.
در این مطالعه، یک راهکار عملی برای تبدیل فیلترهای سیگار، که بهعنوان یک خطر زیستمحیطی شناخته میشوند، به یک منبع صنعتی مفید مطرح شده است. ابرخازنهای تولید شده از این ماده میتوانند در کاربردهای نیازمند به شارژ سریع و عمر طولانی، همچون تثبیت شبکه برق و ترمزهای احیایی، مورد استفاده قرار گیرند.
این تحقیق به طور کلی به یک استراتژی مهم در تبدیل پسماند به منابع جدید اشاره دارد که نه تنها آلودگی را کاهش میدهد، بلکه به توسعه فناوریهای انرژی پایدار نیز کمک کرده و نمونهای بارز از اقتصاد چرخهای را ارائه میدهد؛ جایی که پایان یک چرخه مصرف آغاز فصل جدیدی در تولید انرژی پاک است.
