Активированные угли из лигносульфоната натрия для устройств хранения энергии

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Изучено влияние продолжительности химической активации с использованием KOH на поверхностный состав, пористые характеристики, электрохимические параметры углей, выделенных из отходов целлюлозно-бумажного производства — лигносульфоната натрия. Методом низкотемпературной порометрии показано, что активация приводит к существенному развитию пористости электродного материала и увеличению площади поверхности до 2610 м2·г–1. При этом площадь поверхности определяется длительностью обработки. Электрохимические характеристики электродных материалов определены методами гальваностатического заряда–разряда, циклической вольтамперометрии, спектроскопии электрохимического импеданса. Установлено, что удельная емкость углей в щелочном электролите 6 М NaOH существенно выше, чем определенная в нейтральном электролите 1 М Na2SO4, что обусловлено протеканием обратимых окислительно-восстановительных взаимодействий с участием кислородсодержащих функциональных групп кислотного характера. Выявлены корреляции между пористостью и электрохимическими характеристиками активированных углей.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Е. В. Сивенкова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: sivenkova.elizaveta.99@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-7329-5413

химический факультет

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

E. A. Архипова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sivenkova.elizaveta.99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1710-2041

химический факультет, к.х.н.

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

A. С. Иванов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sivenkova.elizaveta.99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1719-0106

химический факультет, к.х.н.

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Н. О. Тайбарей

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sivenkova.elizaveta.99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0586-1745

химический факультет

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

К. И. Маслаков

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sivenkova.elizaveta.99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0672-2683

химический факультет, к.ф.-м.н.

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

С. Ю. Купреенко

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: sivenkova.elizaveta.99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3469-9406

химический факультет, к.ф.-м.н.

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

С. В. Савилов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова; Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Email: sivenkova.elizaveta.99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5827-3912

химический факультет, д.х.н.

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3; 119071, ГСП-1, г. Москва, Ленинский пр., д. 29, стр. 2

References

  1. Cardoso M., De Oliveira É.D., Passos M. L. Chemical composition and physical properties of black liquors and their effects on liquor recovery operation in Brazilian pulp mills // Fuel. 2009. V. 88. N 4. P. 756–763.
  2. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2008.10.016
  3. Aro T., Fatehi P. Production and application of lignosulfonates and sulfonated lignin // ChemSusChem. 2017. V. 10. N 9. P. 1861–1877. https://doi.org/10.1002/cssc.201700082
  4. Azadi P., Inderwildi O. R., Farnood R., King D. A. Liquid fuels, hydrogen and chemicals from lignin: A critical review // Renew. Sustain. Energy Rev. 2013. V. 21. P. 506–523. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.12.022
  5. Fang Z., Smith R. L. Production of biofuels and chemicals from lignin. Singapore: Springer Singapore, 2016. P. 3–35.
  6. Kocaturk E., Salan T., Ozcelik O., Alma M. H. Recent advances in lignin-based biofuel production // Energies. 2023. V. 16. N 8. P. 1–17. https://doi.org/10.3390/en16083382
  7. He P., Dai L., Li X., Yang Z., Hua F., Li L., Wei B. Lignosulfonate and its derivatives for oil-well drilling: A concise review // Pap. Biomater. 2021. V. 6. N 2. P. 59–68. https://doi.org/10.12103/j.issn.2096-2355.2021.02.006
  8. Degtyareva É. V., Marakina L. D., Surov Yu. N., Sobolʹ G. N., Zinsu Zh. Ch., Galʹchenko T. G. Plasticizers based on nonionogenous surface-active substances and macromolecular compounds for refractory concretes // Refractories. 1986. V. 27. N 1. P. 20–23. https://doi.org/10.1007/BF01398282
  9. Khajeh A., Nazari Z., Movahedrad M., Vakili A. H. A state-of-the-art review on the application of lignosulfonate as a green alternative in soil stabilization // Sci. Total Environ. 2024. V. 943. ID 173500. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173500
  10. Li L., Wang J., Chen Z., Dong J., Chang P., Zhang J., Yang T., Ding R. Preparation of sodium lignosulfonate-based porous carbon for supercapacitors with outstanding rate capacity and high voltage // Chem. Eng. J. 2025. V. 507. ID 160760. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160760
  11. Ling Y.-K., Li J.-Z., Zhu T., Wang J.-H., Wang Q., Li Y.-J., Nong G.-Z. Sodium lignosulfonate-derived ONS-doped hierarchical porous carbon for high-performance DSSC counter electrodes // Org. Electron. 2024. V. 127. ID 107015. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2024.107015
  12. Табаров Ф. С., Астахов М. В., Калашник А. Т., Климонт А. А., Козлов В. В., Галимзянов Р. Р. Активация углеродных нановолокон и их применение в качестве электродных материалов для суперконденсаторов // ЖПХ. 2019. Т. 92. № 9. С. 1188–1196. https://doi.org/10.1134/S0044461819090123 [Tabarov F. S., Astakhov M. V., Kalashnik A. T., Klimont A. A., Kozlov V. V., Galimzyanov R. R. Activation of carbon nanofibers and their application as electrode materials for supercapacitors // Russ. J. Appl. Chem. V. 92. N 9. P. 1266–1273. https://doi.org/10.1134/S107042721909012X].
  13. Luo W., He Q., Zhang C., Jiang Z., Cheng Y., Wang H. Lignin-based polymer networks enabled N, S Co-doped defect-rich hierarchically porous carbon anode for long-cycle Li-ion batteries // ACS Sustain. Chem. Eng. 2024. V. 12. N 7. P. 2881–2892. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c08045
  14. Rathod S., Jaiswal N., Ravikumar M.K., Patil S., Shukla A. Effect of binary additives on performance of the undivided soluble-lead-redox-flow battery // Electrochim. Acta. 2021. V. 365. ID 137361. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137361
  15. Zhao Z., Hao S., Hao P., Sang Y., Manivannan A., Wu N., Liu H. Lignosulphonate-cellulose derived porous activated carbon for supercapacitor electrode // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. N 29. P. 15049–15056. https://doi.org/10.1039/C5TA02770E
  16. Arkhipova E. A., Ivanov A. S., Maslakov K. I., Savilov S. V. Nitrogen-doped mesoporous graphene nanoflakes for high performance ionic liquid supercapacitors // Electrochim. Acta. 2020. V. 353. ID 136463. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136463
  17. Gao B., Zhou H., Yang J. One-step preparation of nitrogen-doped graphene nanosheets for high-performance supercapacitors // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 409. P. 350–357. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.03.015
  18. Lin R., Taberna P. L., Chmiola J., Guay D., Gogotsi Y., Simon P. Microelectrode study of pore size, ion size, and solvent effects on the charge/discharge behavior of microporous carbons for electrical double-layer capacitors // J. Electrochem. Soc. 2009. V. 156. N 1. P. A7–A12. https://doi.org/10.1149/1.3002376
  19. Wang W., Guo S., Lee I., Ahmed K., Zhong J., Favors Z., Zaera F., Ozkan M., Ozkan C. S. Hydrous ruthenium oxide nanoparticles anchored to graphene and carbon nanotube hybrid foam for supercapacitors // Sci. Rep. 2014. V. 4. N 1. ID 04452. https://doi.org/10.1038/srep04452
  20. Thommes M., Kaneko K., Neimark A. V., Olivier J. P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K. S. W. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report) // Pure Appl. Chem. 2015. V. 87. N 9–10. P. 1051–1069. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
  21. Oginni O., Singh K., Oporto G., Dawson-Andoh B., McDonald L., Sabolsky E. Influence of one-step and two-step KOH activation on activated carbon characteristics // Bioresour. Technol. Rep. 2019. V. 7. ID 100266. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2019.100266
  22. Lv Y., Zhang F., Dou Y., Zhai Y., Wang J., Liu H., Xia Y., Tu B., Zhao D. A comprehensive study on KOH activation of ordered mesoporous carbons and their supercapacitor application // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. N 1. P. 93–99. https://doi.org/10.1039/C1JM12742J
  23. Zhang Y., Wen G., Fan S., Tang X., Wang D., Ding C. Partially reduced and nitrogen-doped graphene oxides with phenylethylamine for high-performance supercapacitors // J. Mater. Sci. 2018. V. 53. N 16. P. 11715–11727. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2471-5

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Equivalent circuit: CPEDEС — constant phase element; W0 — Warburg element; Rу — leakage resistance; CPEу — pseudocapacitance arising during voltage-dependent charge transfer processes; R1 — equivalent series resistance of electrolyte; R2 — charge transfer resistance in the porous structure of electrodes.

Download (26KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Survey spectra of X-ray photoelectron spectroscopy (a), C1s (b) and O1s (c) spectra of carbons from sodium lignosulfonate [U800 – non-activated carbon; AU – activated carbon obtained at 800°C for 90 (AU90), 180 (AU180), 270 (AU270) and 360 min (AU360)].

Download (223KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Low-temperature adsorption–desorption isotherms of carbons obtained from sodium lignosulfonate [U800 – non-activated carbon; AU – activated carbon obtained at 800°C for 90 (AU90), 180 (AU180), 270 (AU270) and 360 min (AU360)].

Download (163KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Cyclic volt-ampere curves of samples [U800 — non-activated carbon; AU — activated carbon obtained at 800°C for 90 (AU90), 180 (AU180), 270 (AU270) and 360 min (AU360)] at a scan rate of 20 mV s–1 (a, g), profiles of charge-discharge curves at a current density of 1 A g–1 (b, d), specific capacity from current density (c, f) in 1 M Na2SO4 (a–c) and 6 M NaOH (d–f), Nyquist curves in 1 M Na2SO4 (g) and 6 M NaOH (h) (the approximation curves are shown as solid lines).

Download (389KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences