Reciclaje de mascarillas quirúrgicas para convertirlas en electrodos de película delgada a base de carbono para tecnología de supercondensadores

Jun 23, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12146 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El polipropileno (PP), un plástico de uso común, se utiliza para fabricar las capas exteriores de una mascarilla quirúrgica. En 2020, alrededor de 3 mil millones de mascarillas quirúrgicas se arrojaron al medio ambiente, lo que representó una enorme amenaza para la vida silvestre, la vida acuática y los ecosistemas. En este trabajo, hemos reportado la técnica de sulfonación para estabilizar las mascarillas quirúrgicas y su conversión en nanopartículas de carbono para su aplicación como electrodo supercondensador. El electrodo se fabrica preparando una pasta de nanopartículas de carbono y pegándola sobre una tela conductora portátil. Para investigar el rendimiento del electrodo de película delgada de carbono, se emplean técnicas electroquímicas. El análisis de voltamperometría cíclica (CV) realizado a diferentes velocidades de escaneo en un electrolito de KOH de 6 moles revela que la película delgada de carbono actúa como un electrodo positivo. A 4 A g-1, el electrodo muestra una capacitancia específica de 366,22 F g-1 y una retención del 100 % de la capacitancia específica durante 8000 ciclos. Se fabrica un dispositivo asimétrico de dos electrodos utilizando una película delgada de carbono como electrodo positivo, una película delgada de NiO como electrodo negativo y un separador de KOH entre dos electrodos. El dispositivo muestra una capacitancia específica de 113,73 F g-1 a 1,3 A g-1 y enciende un LED rojo durante 6 minutos. Este trabajo es un paso hacia el reciclaje de los residuos producidos por las mascarillas quirúrgicas utilizadas durante la pandemia de COVID-19 y su aplicación para el almacenamiento de energía.

El material de desecho producido por los hogares y las industrias causa daños perjudiciales al medio ambiente, la vida silvestre, los animales acuáticos y la salud humana1. Los materiales tóxicos presentes en estos desechos afectan a los organismos vivos en el suelo, el agua y el aire. Sin embargo, acontecimientos recientes han llevado a la explotación de estos materiales de desecho para convertirlos en recursos útiles2. En 2019, la pandemia de COVID-19 azotó al mundo y una de las medidas de precaución fue el uso de mascarillas quirúrgicas. Esto provocó un aumento masivo en la producción de mascarillas en todo el mundo3,4,5,6. Las mascarillas quirúrgicas son materiales de un solo uso fabricados a base de polipropileno (PP). El PP es un tipo de plástico y el consumo extensivo de estas mascarillas se ha sumado al problema del desperdicio plástico global7. Según una estimación de la revista National Geographic, en 2020 se desecharon diariamente más de 3 mil millones de mascarillas y la tendencia persistió durante los 2 años siguientes8. Todas estas mascarillas quirúrgicas a base de PP, cuando se arrojan al medio ambiente, provocan graves amenazas a los ecosistemas. Por lo tanto, es necesario abordar este problema y encontrar soluciones efectivas para reciclar o reciclar estas mascarillas usadas para el desarrollo sostenible. Una de esas soluciones es su conversión en nanomateriales a base de carbono (CNM). Los CNM más utilizados son el grafeno, el carbón activado y los nanotubos de carbono (CNT) y su producción a partir de desechos tiene varias aplicaciones potenciales. Los CNM tienen propiedades morfológicas, químicas, mecánicas y eléctricas extremadamente buenas que aumentan significativamente su aplicación para el desarrollo de sensores, supercondensadores, transistores, dispositivos fotoeléctricos, etc.9. Además, los CNM se producen de manera fácil, eficiente y rentable utilizando diversas técnicas de síntesis10,11. El polipropileno (PP) se ha reducido a CNM mediante diversos métodos químicos12,13. La producción de CNM a partir de desechos (máscaras) reducirá significativamente la cantidad de estos desechos en el medio ambiente y ayudará a limpiar el medio ambiente y los ecosistemas.

En este trabajo, hemos reportado la técnica de sulfonación para estabilizar las mascarillas y su conversión en nanopartículas de carbono para su aplicación como electrodo supercondensador. Las herramientas de caracterización estándar se utilizan para examinar la morfología, los elementos constituyentes y los grupos funcionales presentes en los materiales sintetizados. El rendimiento electroquímico de los electrodos fabricados y su aplicación de supercondensador se analiza mediante CV, carga o descarga galvanostática (GCD) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). Los electrodos están fabricados sobre una tela de algodón portátil. El electrodo de película delgada de carbono muestra un buen rendimiento electroquímico, es decir, capacitancia específica, estabilidad cíclica, retención de capacitancia, etc. Este trabajo es un paso hacia el reciclaje de los desechos producidos por las máscaras faciales utilizadas durante la pandemia de COVID-19 y su aplicación en la tecnología de supercondensadores. La investigación ayudará en el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía, así como en la remediación ambiental. El electrodo de película delgada de carbono presentado muestra un buen comportamiento capacitivo en comparación con algunos trabajos publicados anteriormente.

Los químicos y materiales utilizados durante el procedimiento de síntesis fueron mascarillas quirúrgicas, ácido sulfúrico (H2SO4) (98%, SDFCL), hidróxido de potasio (KOH) (97%, RANKEM), nitrato de níquel hexahidrato (Ni(NO3)2·6H2O) (98%, Alfa Aesar), hidróxido de amonio (NH4OH) (25%, Emplura), N-metil-2-pirrolidona (NMP) (99,9%, Spectrochem), alcohol polivinílico (PVA) (99%, Sigma-Aldrich) , etanol y agua DI (desionizada). Los productos químicos se utilizaron tal como se recibieron. Sin embargo, las mascarillas quirúrgicas se limpiaron con etanol y agua desionizada antes de su aplicación.

Durante la síntesis se utilizan las dos capas exteriores de una mascarilla quirúrgica. Las capas exteriores de una mascarilla están hechas de polipropileno, que es una buena fuente de carbono. Las capas externas se cortaron en trozos pequeños (1 g) y se pusieron en 25 ml de H2SO4 concentrado en un vaso de vidrio. Luego se colocó el vaso en un horno de mufla y se calentó a 155 °C durante 1,5 h. Después de calentar, se eliminó el ácido sulfúrico del vaso y se obtuvo la muestra (masa negra). La muestra se lavó con agua desionizada hasta que su pH se volvió neutro. Luego la muestra se secó durante la noche y se calentó nuevamente durante 3 h a una temperatura de 800 °C en presencia de nitrógeno. La muestra ahora obtenida se trituró con KOH en una proporción de 1:2 y se calentó a 700 °C durante 1 h. Luego, el material final obtenido se centrifugó, secó y se molió para producir polvo de carbón. La Figura 1 representa esquemáticamente el procedimiento de síntesis paso a paso.

Ruta de síntesis paso a paso de nanopartículas de carbono.

El tejido de algodón conductor (CF) se utiliza como sustrato flexible para fabricar electrodos (Fig. Sa en información complementaria). El polvo de carbón sintetizado se mezcla con PVA en una proporción de 1:9 en un vaso de precipitados. A esta mezcla, se añadió gota a gota disolvente NMP, se calentó y se agitó continuamente hasta que se obtuvo una pasta negra uniforme y espesa. Luego, la pasta se aplica sobre CF y se calienta a 95 °C para formar el electrodo de carbono final. El electrodo de carbono fabricado se muestra en la Fig. Sb (bajo información complementaria).

El método sol-gel es un método sencillo y económico utilizado para la síntesis de nanopartículas. Se vierte gota a gota una solución 2,0 M de hidróxido de amonio (NH4OH) en agua desionizada en una solución 0,5 M de nitrato de níquel hexahidratado en agua desionizada. La mezcla de solución se agita a 100 °C durante 4 h y se deja envejecer durante 24 h. La muestra se centrifuga a 7000 rpm usando agua desionizada y etanol, y se recoce durante 2 h a una temperatura de 200 °C. Finalmente, la muestra se muele y se reduce a nanopartículas de NiO de color verde claro.

Para preparar el electrodo de NiO, se prepara una pasta en suspensión mezclando nanopartículas de NiO, polvo de grafito y PVA en una proporción de 8:1:1. La NMP se añade gota a gota a esta mezcla y se calienta continuamente hasta que se obtiene una pasta en suspensión. Luego, la pasta de NiO preparada se aplica sobre CF y se calienta en la placa caliente para formar un electrodo de película delgada de NiO (Fig. Sc en información complementaria).

La morfología y composición química del carbono producido se analiza utilizando herramientas de caracterización estándar. La imagen FESEM que se muestra en la Fig. 2a muestra la morfología de la superficie de las nanopartículas junto con la distribución del tamaño de las partículas. Utilizando el software ImageJ, se encuentra que el tamaño promedio de las partículas de carbono es de 29 nm. Los nanomateriales se han utilizado ampliamente para la fabricación de electrodos de supercondensadores. Los nanomateriales muestran una alta capacitancia específica y un buen rendimiento electroquímico, ya que ofrecen más superficie para el almacenamiento de energía14. Además, los nanomateriales poseen buenas propiedades mecánicas que ayudan a lograr una alta eficiencia de culombio e integridad mecánica al realizar las pruebas de estabilidad cíclica15. Las nanopartículas de carbono se presentan en forma de escamas y poseen una morfología suave. La Figura 2b muestra los espectros EDS junto con el mapeo elemental y el porcentaje en peso de las nanopartículas. Los espectros EDS muestran un pico con intensidad máxima para C(K). El mapeo elemental junto con las proporciones atómicas y de peso aclaran aún más la síntesis de nanopartículas de carbono.

(a) imagen FESEM, (b) espectros y mapeo EDS, (c) espectros FTIR y (d) espectros XPS del carbono sintetizado.

La técnica FTIR es un método analítico útil para la identificación de constituyentes y ayuda a investigar los grupos funcionales presentes en el material. La Figura 2c son los espectros FTIR del carbono. La banda ancha entre 3100 y 3400 cm-1 significa la presencia del grupo -OH de moléculas de agua (humedad), mientras que la banda entre 2500 y 3000 cm-1 indica la presencia de un estiramiento alifático –CH16,17. Las transiciones a 2316 y 1510 cm-1 indican el estiramiento C=C, mientras que el pico a 2090 cm-1 se debe a la interacción del azufre con la mascarilla desarrollada durante el proceso de sulfonación18. El pico a 1029 cm-1 denota vibraciones de estiramiento de C=O19. Los espectros de estudio XPS en la Fig. 2d muestran claramente los picos estándar para C (1s) y O (1s) a 284,4 y 532,4 eV, respectivamente. Además, los espectros de alta resolución que se muestran en la Fig. S1 (información complementaria) indican que el pico para C (1s) es para los enlaces C = C, C – C y C = O con hibridación sp220. Por tanto, XPS confirma aún más los resultados obtenidos de los espectros FTIR. De ahí que los estudios FESEM, EDS, FTIR y XPS confirmen la formación de nanopartículas de carbono.

La imagen FESEM de las nanopartículas de NiO como se muestra en la Fig. 3a indica que las partículas poseen una distribución uniforme y son esféricas. La morfología de las nanopartículas, es decir, la forma, el tamaño, el área de superficie, etc., juega un papel crucial en la determinación del rendimiento electroquímico de un electrodo21,22,23. Los espectros FTIR en la Fig. 3b muestran diferentes picos. La transición a 3636 cm-1 es para las vibraciones del enlace –OH, mientras que el pico a 1401 cm-1 denota el modo de estiramiento N-O o NO- adsorbido producido a partir de los precursores24. Las vibraciones del enlace C-O-C y los iones CO32- adsorbidos (debido al CO2 adsorbido) se indican mediante las transiciones en 1173 cm-1 y 1048 cm-1, respectivamente. Además, los picos a 878 cm-1 y 500 cm-1 denotan vibraciones del grupo Ni-OH y vibraciones de estiramiento de Ni-O. Así, los resultados de FTIR indican la síntesis de nanopartículas de NiO. Además, los espectros EDS en la Fig. 3c muestran picos para Ni y O junto con su peso y porcentajes atómicos. El mapeo elemental de las nanopartículas en las figuras 3d ye confirma aún más la síntesis de nanopartículas de NiO.

(a) imagen FESEM, (b) espectros FTIR y (c) espectros EDS de nanopartículas de NiO junto con (d) mapeo de O y (e) mapeo de Ni.

El instrumento CHI600E se utiliza durante el estudio electroquímico de los electrodos de película delgada fabricados. La configuración de tres electrodos se aplica para realizar el análisis electroquímico utilizando un electrodo de calomelano saturado (SCE) como electrodo de referencia, una película delgada fabricada como electrodo de trabajo y un contraelectrodo de platino (Pt). El electrolito es una solución 6,0 M de KOH en agua DI y todas las caracterizaciones electroquímicas se realizan a temperatura ambiente. Utilizando las curvas CV y ​​GCD, la capacitancia específica se calcula según las ecuaciones25,26:

donde, "C" corresponde a la capacitancia específica calculada en Farad gramo-1 (F g-1), "n = 1 o 2 para supercondensador asimétrico y simétrico, "Vs" denota velocidad de escaneo, "ΔV" denota rango de potencial, " I” es la corriente de descarga en amperios (A), “Δt” indica el tiempo de descarga en segundos (s) y “m” es la masa del material del electrodo activo. El “Área” en la Ec. (1) es el área bajo la curva CV a una velocidad de exploración particular.

La densidad de energía y la densidad de potencia de los electrodos se calculan utilizando las siguientes ecuaciones26:

donde "E" y "P" denotan densidad de energía y potencia.

La Figura 4a representa las curvas CV del electrodo de película delgada de carbono fabricado. Las mediciones de CV se realizan a una velocidad de exploración de 5 a 200 mV s-1 en un rango de potencial de 0 a 0,6 V. En cada curva CV, hay un pico redox prominente que sugiere que la capacitancia del electrodo de película delgada sigue el mecanismo redox. La forma de los perfiles CV del electrodo de carbono mostró perfiles CV dominados por faradaicos que pueden clasificarse como curvas tipo C25,27. Los picos de oxidación-reducción se deben a la reacción redox por la presencia de defectos estructurales y grupos funcionales residuales (–OH, COOH, etc.) con iones electrolitos28. Además, la corriente máxima aumenta linealmente con un aumento en la velocidad de exploración, y el área bajo la curva también aumenta. Esto sugiere la naturaleza altamente capacitiva del electrodo junto con un rápido transporte de electrones/iones y reacciones redox farádicas interfaciales. La naturaleza simétrica de las curvas CV también sugiere una buena conducción de electrones e iones del electrodo. Dado que las curvas CV solo están presentes en la región de potencial positivo, el electrodo de película delgada de carbono se puede utilizar como electrodo positivo para la aplicación de supercondensador. La Tabla S1 (información complementaria) representa la capacitancia específica del electrodo de película delgada de carbono calculada a partir de las curvas CV utilizando la ecuación. (1).

(a) CV, (b) GCD, (c) EIS y (d) estabilidad cíclica del electrodo de película delgada de carbono.

La relación entre la corriente máxima (ip) y la velocidad de exploración (v) se determina según la ecuación. (4) comprender el comportamiento del electrodo26.

donde "ip" denota la corriente máxima en amperios, "v" es la velocidad de exploración en mV s-1 y "a" y "b" son parámetros variables. El parámetro “b” sirve como pendiente de la curva entre log ip y log v. Para el proceso controlado por superficie, el valor de b = 1, y para el comportamiento tipo batería, b = 0,5. El valor de b es 0,74 para corrientes máximas anódicas y 0,65 para corrientes máximas catódicas, lo que significa un proceso controlado por difusión (Fig. S2 (información complementaria))29. Además de esto, el método de Dunn se utiliza para estudiar el mecanismo de almacenamiento de carga del electrodo. La Figura S3 (información complementaria) muestra que el almacenamiento está controlado principalmente por el proceso de difusión y el resultado está de acuerdo con el valor de "b" calculado para el electrodo.

Con diversas densidades de corriente, la prueba GCD realizada para el electrodo en el rango de potencial de 0 a 0,45 V se muestra en la Fig. 4b. Usando m = 0,0005 g en la ecuación. (1), los valores de capacitancia específicos obtenidos son 366,22, 361,33, 360,88, 351,11, 346,66, 348,44, 337,77, 326,66, 320, 306,66, 302,22 y 288,88 F g-1 en 4, 6, 8 10, 1 2, 16, 20, 30, 40, 60, 80 y 100 Ag-1, respectivamente. Los iones del electrolito se difunden fácilmente en el electrodo a baja densidad de corriente, por lo que todo el material del electrodo participa en el proceso de carga y descarga26. Esto explica los altos valores de capacitancia específica. Sin embargo, a valores elevados de densidad de corriente, la difusión de iones en todo el material del electrodo no es posible debido al efecto de difusión. Como resultado, el proceso de carga y descarga sólo tiene lugar en la superficie del electrodo, lo que disminuye la capacitancia específica. La caída de IR en las curvas GCD se debe a la resistencia ofrecida por el material del electrodo activo, el electrolito y la interfaz entre electrodo y electrolito. La caída de IR no se puede evitar en los supercondensadores. La capacitancia específica se reduce de 366,22 a 288,88 F g-1 a medida que la densidad de corriente cambia de 4 a 100 A g-1. El electrodo muestra un buen comportamiento capacitivo y una alta retención de capacitancia específica (79%) a medida que aumenta la densidad de corriente. Principalmente, la capacitancia específica del carbono es de alrededor de 300 a 400 F g-1 y la capacitancia específica del electrodo de película delgada fabricado concuerda bien con los valores esperados30.

La respuesta eléctrica del electrodo de película delgada se estudia mediante una técnica de caracterización EIS no destructiva. Las mediciones de EIS se realizaron en el rango de frecuencia de 0,01 a 105 Hz y con una perturbación de 5 mV de CA. La Figura 4c representa el gráfico de Nyquist obtenido a partir de los resultados de la EIS y la intersección a lo largo de Z´ da el valor de la resistencia global (Rb). La Rb es la resistencia total ofrecida por el electrolito, el material activo en el electrodo y la resistencia debida a la interfaz entre el material activo y el sustrato31. El valor de Rb obtenido de la Fig. 4c es 1 Ω, lo que revela una buena conductividad del electrodo32. Además, el gráfico del ángulo de fase de Bode para el electrodo también se muestra en la Fig. S4 (información complementaria). Para investigar el uso de electrodos de película delgada de carbono para aplicaciones de supercondensadores, se realizaron estudios de estabilidad cíclica a 0,06 A (120 A g-1). La estabilidad cíclica que se muestra en la Fig. 4d ilustra que durante 8000 ciclos, el electrodo retiene el 100% de su capacitancia. La estabilidad cíclica eficiente puede explicarse debido a un aumento en la humectabilidad del electrodo, lo que ayuda a mantener la capacitancia específica durante varios ciclos33.

El electrodo de película delgada de carbono preparado a partir de la mascarilla facial de desecho ha mostrado buenas propiedades electroquímicas y puede usarse como electrodo supercondensador. La comparación del trabajo actual con trabajos informados anteriormente con KOH 6,0 M como electrolito se muestra en la Tabla 1. El estudio de comparación revela que el trabajo actual informa un electrodo de película delgada de carbono con mejor estabilidad y mayor capacitancia específica.

El rendimiento electroquímico del electrodo de película delgada de NiO se analiza mediante caracterización CV, GCD y EIS. Las curvas CV en la Fig. 5a se obtienen de 5 a 100 mV s-1 de velocidad de exploración y de - 1,2 a 0 V de rango de potencial. La capacitancia del electrodo de película delgada de NiO sigue nuevamente el mecanismo redox como lo sugieren los picos redox prominentes. Con un aumento en la velocidad de exploración, la corriente máxima aumenta, lo que se debe a la naturaleza altamente capacitiva y al rápido mecanismo de transporte de electrones e iones. El electrodo de película delgada actúa como un electrodo negativo debido a la presencia de curvas CV en la región de potencial negativo. Usando la ecuación. (1), la capacitancia específica del electrodo calculada a partir de las curvas CV se representa en la Tabla S2 (información complementaria). Según el método de Dunn, se descubre que el mecanismo de almacenamiento de carga del electrodo está controlado por difusión (Fig. S5 (información complementaria)). Además, utilizando la Ec. (4), el valor b es 0,7 para las corrientes máximas anódicas y 0,5 para las corrientes máximas catódicas (Fig. S6 (información complementaria)). Esto confirma nuevamente el mecanismo de almacenamiento de carga del electrodo controlado por difusión.

Caracterización electroquímica del electrodo de película delgada de NiO. (a) CV de 5 a 100 mV s-1, (b) GCD de 6,25 a 62,5 Ag-1, (c) EIS y (d) estabilidad cíclica.

Las pruebas de GCD realizadas en − 0,8 a 0 V con diversas densidades de corriente se muestran en la Fig. 5b. La forma de la curva GCD se debe a las características del material del electrodo activo. La desviación de las curvas GCD de la forma normal se debe al comportamiento tipo batería del electrodo50,51. Usando m = 0,00048 g en la ecuación. (1), los valores de capacitancia específica son 4987,5, 4570, 3387,5, 2100, 1277, 1200, 1100, 900, 350 y 150 F g−1 a 6,25, 8,3, 10,4, 12,5, 14,6, 16,6, 20,83, 31. 25 , 41,66 y 62,5 A g−1, respectivamente. La caída de IR en las pruebas de GCD es alta para el electrodo, lo que sugiere que la configuración ofrece más resistencia y se han informado varios electrodos con una caída de IR alta con buenas aplicaciones de supercondensador52,53. La medición EIS para electrodo de película delgada de NiO se realiza en un electrolito de KOH 6 molar a 5 mV para el rango de frecuencia de 1 a 105 Hz. La Figura 5c muestra el diagrama de Nyquist obtenido a partir de los resultados. El valor de Rb obtenido del gráfico es 1,8 Ω, lo que muestra que el electrodo posee buena conductividad eléctrica. La resistencia aparente del electrodo de película delgada de NiO es mayor que la del electrodo de película delgada de carbono, lo que explica la alta caída de IR y la disminución más rápida de la capacitancia específica al aumentar la densidad de corriente. El gráfico del ángulo de fase de Bode del electrodo se muestra en la Fig. S7 (información complementaria). Para probar el rendimiento del electrodo, la prueba de estabilidad cíclica que se muestra en la Fig. 5d se realiza a 0,025 A (52,08 A g-1). El electrodo es capaz de retener el 95% de su capacitancia específica durante 8000 ciclos, lo que demuestra que el electrodo se puede utilizar para aplicaciones de supercondensadores. La capacitancia específica promedio del electrodo de película delgada de NiO fabricado es aproximadamente igual a su valor teórico54.

Por lo tanto, el análisis electroquímico de electrodos de película delgada de carbono y NiO revela que los electrodos poseen un buen rendimiento eléctrico adecuado para aplicaciones de supercondensadores.

Para investigar las aplicaciones de supercondensadores, se utiliza una configuración de dos electrodos para realizar las técnicas de caracterización electroquímica. Se utiliza una solución de KOH 6,0 M como electrolito, mientras que un electrodo de película delgada de NiO se usa como electrodo de trabajo y una película delgada de carbón como contraelectrodo (corto con el electrodo de referencia). Las mediciones de CV se realizan a una velocidad de exploración de 5 a 100 mV s-1 y se toma de -1,4 a 0 V como rango de potencial. Las curvas CV para el supercondensador se muestran en la Fig. 6a. La capacitancia específica del dispositivo calculada usando la ecuación. (1) se representa en la Tabla S3 (Información complementaria). A medida que aumenta la velocidad de exploración, aumenta la corriente máxima, lo que denota que la capacitancia del supercondensador sigue el mecanismo redox. La Figura 6b muestra las curvas GCD obtenidas en 0 a 1,5 V de rango de potencial con diversas densidades de corriente. Usando m = 0,001 g en la ecuación. (1), la capacitancia específica es 113,73, 109,8, 110,93, 104, 100, 95,46, 92, 83, 76, 70, 66, 58,33, 53,33, 48, 46,66 y 36 F g−1 en 1,3, 2, 2,6, 3,3, 4, 5,3, 6,6, 10, 13,3, 16,6, 20, 23,3, 26,6, 30, 33,3 y 40 Ag-1, respectivamente. La disminución de la capacitancia específica al aumentar la densidad de corriente puede explicarse debido al efecto de difusión. La capacitancia específica del dispositivo disminuye de 113,73 a 36 F g-1 a medida que la densidad de corriente aumenta de 1,3 a 40 A g-1 con una reducción del 68% en la capacitancia específica del supercondensador. El rendimiento de la tasa del dispositivo se muestra en la Fig. 6c. La prueba de estabilidad cíclica (Fig. 6d) realizada a 0,05 A para el supercondensador muestra una retención de capacitancia específica del 83% durante 8000 ciclos. La medición EIS para el supercondensador de dos electrodos se realiza en electrolito KOH de 6,0 M a 5 mV para el rango de frecuencia de 1 a 105 Hz. El gráfico de Nyquist correspondiente se muestra en la Fig. 6e. El valor de Rb obtenido del gráfico es 1,73 Ω, lo que muestra que el dispositivo tiene buena conductividad eléctrica. Además, el gráfico del ángulo de fase de Bode para el dispositivo se muestra en la Fig. S8 (información complementaria).

(a) estudio CV realizado de 5 a 100 mV s-1, (b) pruebas GCD realizadas de 1,3 a 40 A g-1, (c) rendimiento de la velocidad, (d) estabilidad cíclica y (e) estudio EIS del dispositivo.

Usando la ecuación. (3), los valores calculados de densidad de energía son 35,54, 34,31, 33, 32,5, 31,25, 29,83, 28,75, 25,93, 23,75, 21,87, 20,62, 18,22, 16,66, 15, 14,5 y 11,25 Wh Kg−1 en el actual densidad de 1,3, 2, 2,6, 3,3, 4, 5,3, 6,6, 10, 13,3, 16,6, 20, 23,3, 26,6, 30, 33,3 y 40 Ag-1, respectivamente. El gráfico entre capacitancia específica y densidad de energía se muestra en la Fig. 7a. Además, los valores de densidad de potencia son 1,5, 2,25, 3, 3,75, 4,5, 6, 7,5, 11,25, 15, 18,75, 22,45, 26,24, 30, 33,75, 37,3 y 45 KW Kg-1 para una densidad de corriente similar. En la Fig. 7b se muestra un gráfico entre la densidad de energía y la densidad de potencia llamado diagrama de Ragone para el dispositivo supercondensador. El gráfico de Ragone muestra que hay una disminución en la densidad de energía al aumentar la densidad de potencia, lo que sugiere que el dispositivo puede usarse como un supercondensador55.

(a) Capacitancia específica versus densidad de energía y (b) Gráfico de Ragone del dispositivo supercondensador.

En este trabajo también se realiza la aplicación práctica del dispositivo supercondensador con electrodos fabricados. El dispositivo supercondensador está preparado con un electrodo de película delgada de carbono positivo, un electrodo de película delgada de NiO negativo y un separador de KOH. El separador de KOH se prepara mezclando KOH y PVA en una proporción particular en agua DI. Luego se somete la solución a un tratamiento térmico y se continúa agitando hasta obtener una solución transparente. Luego se vierte la solución en una placa de Petri y se deja secar durante la noche, formando un separador de KOH. Luego se coloca el separador entre los dos electrodos y el dispositivo se sujeta con alfileres. El separador se coloca de manera que los dos electrodos no se toquen entre sí, lo que provocaría un cortocircuito en el dispositivo. El dispositivo supercondensador preparado se muestra en la Fig. S9 (Información complementaria).

Se conectaron en serie dos dispositivos supercondensadores y se cargaron mediante una batería. Luego se retira la batería y se conecta un multímetro a través de la combinación para medir el potencial. El potencial a través de la combinación es de alrededor de 2,5 V, como se muestra en la Fig. 8a y el video también se graba para la medición. De manera similar, la combinación se carga nuevamente usando una batería y se conectó un LED rojo en los terminales después de retirar la batería. La combinación puede encender el LED como se muestra en la Fig. 8b y el video se graba nuevamente para la demostración práctica. El LED rojo funciona correctamente durante 6 minutos y brilla plenamente durante 4 minutos, es decir, la intensidad comienza a disminuir después de 4 minutos. La demostración práctica defiende con éxito la aplicación de electrodos de película delgada de carbono y NiO fabricados para la aplicación de supercondensadores.

(a) Demostración práctica con el multímetro, (b) LED rojo brillante y (c) mecanismo de funcionamiento del supercondensador.

El mecanismo que gobierna el funcionamiento del dispositivo supercondensador se muestra esquemáticamente en la Fig. 8c. El electrolito KOH presente contiene iones de carga positiva y negativa, es decir, K+ y OH-. Durante el proceso de carga, el electrodo de película delgada de carbono desarrolla una carga positiva y el electrodo de película delgada de NiO desarrolla una carga negativa. Como resultado, los iones K+ se mueven hacia el electrodo de película delgada de NiO mientras que los iones OH- se mueven hacia el electrodo de película delgada de carbono. Por lo tanto, se desarrolla una fina capa de iones en el lado interno de ambos electrodos, lo que conduce a la formación de la doble capa electrostática. Por lo tanto, un solo dispositivo de supercondensador es comparable a una combinación en serie de dos condensadores, lo que explica la alta capacitancia específica de un supercondensador en comparación con los condensadores. De manera similar, el proceso de descarga es el inverso del proceso de carga.

Además, el valor b para ambos electrodos de película delgada es cercano a 0,5, lo que sugiere que la carga y descarga están gobernadas por el proceso de difusión. El valor de Rb para ambos electrodos es bajo, es decir, 1,0 y 1,8 Ω, lo que sugiere una buena conductividad de los electrodos. Esto ayuda a que el dispositivo se cargue y descargue sin problemas.

En este trabajo, se informa sobre el reciclaje de los desechos de mascarillas faciales quirúrgicas producidos durante la pandemia de COVID-19 en el electrodo supercondensador de película delgada de carbono. La película delgada de carbono se fabrica preparando una pasta en suspensión y depositándola sobre una tela conductora portátil. El rendimiento electroquímico se analiza en un electrolito de KOH 6 M. La película delgada de carbono actúa como un electrodo positivo con una capacitancia específica de 366,2 F g-1 a 2 A g-1. El electrodo de película delgada de carbono muestra una buena estabilidad cíclica con una retención de capacitancia específica del 100 % durante 8000 ciclos. Se prepara un electrodo de película delgada de NiO separado para usarlo como electrodo negativo que tiene una capacitancia específica de 4987,5 F g-1 a 6,25 A g-1. El electrodo de película delgada de NiO muestra una retención de capacitancia específica del 95% después de 8000 ciclos. El dispositivo supercondensador con una película delgada de NiO como electrodo de trabajo, una película delgada de carbono como contraelectrodo (el electrodo de referencia es corto) y KOH 6 M como electrolito, muestra 113,73 F g-1 de capacitancia específica a una corriente de 1,3 A g-1. densidad. El supercondensador retiene el 83% de su capacitancia específica durante 8000 ciclos durante la prueba de estabilidad cíclica. El dispositivo supercondensador con los electrodos fabricados y el separador de KOH enciende un LED rojo durante 6 minutos. El trabajo tiene como objetivo promover el desarrollo sostenible intentando mitigar el efecto adverso de la eliminación de residuos de mascarillas faciales en el medio ambiente.

Los datos sin procesar/procesados ​​necesarios para reproducir estos hallazgos estarán disponibles previa solicitud razonable.

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El autor correspondiente agradece a la Junta de Investigación en Ciencia e Ingeniería (SERB) de la India por el apoyo (expediente n.º EEQ/2021/000172). Este trabajo también fue apoyado por el JK Science Technology & Innovation Council, Departamento de Ciencia y Tecnología, JKUT.

Departamento de Física, Universidad de Jammu, Jammu, Jammu y Cachemira, 180006, India

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Ashok K. Sundramoorthy

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AA: Conceptualización, metodología, redacción, revisión y edición.SV: Metodología, redacción, revisión y edición.PM: Metodología, redacción, revisión y edición.AKS: Escritura, revisión y edición.SA: Conceptualización, supervisión, Metodología, redacción, revisión y edición.

Correspondencia a Sandeep Arya.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ahmed, A., Verma, S., Mahajan, P. et al. Reciclaje de mascarillas quirúrgicas para convertirlas en electrodos de película delgada a base de carbono para tecnología de supercondensadores. Representante científico 13, 12146 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37499-x

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Recibido: 21 de abril de 2023

Aceptado: 22 de junio de 2023

Publicado: 27 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37499-x

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