Dopaje con nitrógeno y fósforo de carbones activos derivados de cascarilla de cacao para su aplicación como electrodos en supercapacitores
Las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímicas como los supercapacitores, junto con el desarrollo de materiales de carbono, desempeñan actualmente papeles prometedores en el esfuerzo global por abordar los desafíos para el suministro de energía. Las ventajas de alta densidad de potenci...
- Autores:
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano
- Repositorio:
- Expeditio: repositorio UTadeo
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:expeditiorepositorio.utadeo.edu.co:20.500.12010/21866
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12010/21866
- Palabra clave:
- Ingeniería industrial
Química, Ingeniería
Química
Soluciones (Química)
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Las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímicas como los supercapacitores, junto con el desarrollo de materiales de carbono, desempeñan actualmente papeles prometedores en el esfuerzo global por abordar los desafíos para el suministro de energía. Las ventajas de alta densidad de potencia y larga vida útil han hecho que los supercapacitores usando electrodos compuestos por materiales carbonosos sean los principales dispositivos que permitan ese almacenamiento de una manera eficiente y sostenible. Sin embargo, las características de capacitancia y potencia de los materiales carbonosos porosos convencionales son limitadas, pero pueden ser mejoradas a través del dopaje de N y P; desde el aumento de las características texturales hasta la pseudocapacitacia. Ante esta dificultad, se planteó el desarrollo de materiales carbonosos a partir de cascarilla de cacao mediante activación química con H3PO4 y KOH a relaciones agente/sólido de 1,75:1 y 3:1 p/p y con temperatura de 600 y 800°C, respectivamente. Luego, se sometieron a tratamiento químico con amoníaco empleando tres concentraciones de solución (10%, 17.5% y 25%) y con fosfato monoamónico se trataron con tres concentraciones de solución (25%, 30% y 35%) a una relación agente/carbón de 4:1, a fin de establecer la influencia de las condiciones de tratamiento sobre el dopaje alcanzado y la capacitancia de los materiales obtenidos. Los carbones activados se caracterizaron mediante análisis elemental EDS, microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectro infrarrojo con transformada de Fourier con el fin de evaluar las características morfológicas, la la composición química, y los grupos funcionales. Las muestras modificadas con fosfato monoamónico al 35% (p/p) C-A-FM-35, y amoníaco al 25% (p/p) C-A-A-25: presentaron los mayores contenidos de N y P, respectivamente. Todos los tratamientos mostraron un incremento en los grupos piridínicos de acuerdo con el FTIR, pero la muestra activada con KOH y modificada con fosfato monoamónico al 25% (p/p) C-B-FM-25 fue la única en exponer grupos hidroxilo y amino que pueden favorecer la humectabilidad y la pseudocapacitancia del carbón. |
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Sin embargo, las características de capacitancia y potencia de los materiales carbonosos porosos convencionales son limitadas, pero pueden ser mejoradas a través del dopaje de N y P; desde el aumento de las características texturales hasta la pseudocapacitacia. Ante esta dificultad, se planteó el desarrollo de materiales carbonosos a partir de cascarilla de cacao mediante activación química con H3PO4 y KOH a relaciones agente/sólido de 1,75:1 y 3:1 p/p y con temperatura de 600 y 800°C, respectivamente. Luego, se sometieron a tratamiento químico con amoníaco empleando tres concentraciones de solución (10%, 17.5% y 25%) y con fosfato monoamónico se trataron con tres concentraciones de solución (25%, 30% y 35%) a una relación agente/carbón de 4:1, a fin de establecer la influencia de las condiciones de tratamiento sobre el dopaje alcanzado y la capacitancia de los materiales obtenidos. Los carbones activados se caracterizaron mediante análisis elemental EDS, microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectro infrarrojo con transformada de Fourier con el fin de evaluar las características morfológicas, la la composición química, y los grupos funcionales. Las muestras modificadas con fosfato monoamónico al 35% (p/p) C-A-FM-35, y amoníaco al 25% (p/p) C-A-A-25: presentaron los mayores contenidos de N y P, respectivamente. Todos los tratamientos mostraron un incremento en los grupos piridínicos de acuerdo con el FTIR, pero la muestra activada con KOH y modificada con fosfato monoamónico al 25% (p/p) C-B-FM-25 fue la única en exponer grupos hidroxilo y amino que pueden favorecer la humectabilidad y la pseudocapacitancia del carbón.#IngenieríaIndustrialElectrochemical energy storage technologies such as supercapacitors, along with the development of carbon materials, are currently promising roles in the global effort to energy supply challenges. The advantages of high-power density and long life have made supercapacitors with electrodes of carbonaceous materials the primary devices, allowing efficient and sustainable storage. However, the capacitance and power features of conventional porous carbonaceous materials are limited, but they could be improved through N and P doping, since it may enhance the textural and pseudocapacitance characteristics. This work proposed developing activated carbons from cocoa husk by chemical activation with H3PO4 and KOH at agent/solid ratios of 1.75:1 and 3:1 w/w, using carbonization temperatures of 600 and 800 °C, respectively. Then, they were treated with ammonia at concentrations of 10%, 17.5%, and 25%, or with monoammonium phosphate at concentrations of 25%, 30%, and 35% (agent/carbon ratio 4:1), to establish the agent concentration influence on the achieved doping and the capacitance of the materials obtained. Activated carbons were characterized by scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy-dispersive X-ray spectrometry (EDS) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to assess morphological characteristics, elemental composition, and functional groups. The samples modified with monoammonium phosphate at 35% (w/w) C-A-FM-35, and ammonia at 25% (w/w) C-A-A-25, presented the highest N and P contents, respectively. All the treatments seem to increase pyrrolic groups according to FTIR, but the sample activated with KOH and modified with monoammonium phosphate at 25% (w/w) C-B-FM-25 was the only one exposing hydroxyl and amine groups, that could improve both the wettability and pseudocapacitance of carbon.24 páginasapplication/pdfspaUniversidad de Bogotá Jorge Tadeo LozanoIngeniería QuímicaFacultad de Ciencias Naturales e Ingenieríareponame:Expeditio Repositorio Institucional UJTLinstname:Universidad de Bogotá Jorge Tadeo LozanoIngeniería industrialQuímica, IngenieríaQuímicaSoluciones (Química)Dopaje con nitrógeno y fósforo de carbones activos derivados de cascarilla de cacao para su aplicación como electrodos en supercapacitoresTrabajo de gradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fAbierto (Texto Completo)http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Abbas, Q. (2020). Advances of Electrode Materials. Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 1–10. https://doi.org/10.1016/b978-0-12803581-8.12061-2Agilent Technologies. (2016). Componentes del ftir cary 630 respaldado con confianza.Chen, A., Li, Y., Yu, Y., Ren, S., Wang, Y., Xia, K., & Li, S. (2016). Nitrogen-doped hollow carbon spheres for supercapacitors application. Journal of Alloys and Compounds, 688, 878–884. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.07.163Chen, L. C., Peng, P. Y., Lin, L. F., Yang, T. C. K., & Huang, C. M. (2014). Facile preparation of nitrogen-doped activated carbon for carbon dioxide adsorption. Aerosol and Air Quality https://doi.org/10.4209/aaqr.2013.03.0089Corpoandes. (2017). Proceso industrial del chocolate.Dujearic-Stephane, K., Gupta, M., Kumar, A., Sharma, V., Pandit, S., Bocchetta, P., & Kumar, Y. (2021). The effect of modifications of activated carbon materials on the capacitive performance: surface, microstructure, and wettability. 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CARBÓN ACTIVADO MEDIANTE ACTIVACIÓN QUÍMICA CON ÁCIDO FOSFÓRICO A PARTIR DE LA CASCARILLA DE CACAO PARA LA CAPTURA DE CO2. Universidad Jorge Tadeo Lozano.Ioannidou, O., & Zabaniotou, A. (2007). Agricultural residues as precursors for activated carbon production-A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11(9), 1966–2005. https://doi.org/10.1016/j.rser.2006.03.013Kim, B. K., Sy, S., Yu, A., & Zhang, J. (2015). Electrochemical Supercapacitors for Energy Storage and Conversion. Handbook of Clean Energy Systems, 1–25. https://doi.org/10.1002/9781118991978.hces112Larrañaga, E. (2020). Estudio y desarrollo de sistemas multicapa de polímeros conductores con aplicación como sensor de neurotransmisores.Lázaro, K. (2015). Estudio de la síntesis oxidativa del Poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT). 1–39.Li, L., Zhong, Q., Kim, N. D., Ruan, G., Yang, Y., Gao, C., Fei, H., Li, Y., Ji, Y., & Tour, J. M. (2016). Nitrogen-doped carbonized cotton for highly flexible supercapacitors. 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Supercapacitores como aporte al desarrollo energético eléctrico , análisis comparativo mediante herramientas computacionales de simulación aplicadas.LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82938https://expeditiorepositorio.utadeo.edu.co/bitstream/20.500.12010/21866/2/license.txtbaba314677a6b940f072575a13bb6906MD52open accessTESIS.pdfTESIS.pdfVer documentoapplication/pdf1524944https://expeditiorepositorio.utadeo.edu.co/bitstream/20.500.12010/21866/4/TESIS.pdfb06c5887da3f0ee0246988d6175b412dMD54embargoed access|||2024-09-20Autorización biblioteca.pdfAutorización biblioteca.pdfLicenciaapplication/pdf1876660https://expeditiorepositorio.utadeo.edu.co/bitstream/20.500.12010/21866/5/Autorizaci%c3%b3n%20biblioteca.pdfc9ac270cd3738125e7495390fd6fbf26MD55open accessTHUMBNAILDocumento reservado temporalmente por solicitud del autor.pdf.jpgDocumento reservado temporalmente por solicitud del autor.pdf.jpgImagenimage/jpeg7815https://expeditiorepositorio.utadeo.edu.co/bitstream/20.500.12010/21866/3/Documento%20reservado%20temporalmente%20por%20solicitud%20del%20autor.pdf.jpge5b266bbb5ce23d8d87d1a4e5a49f712MD53open access20.500.12010/21866oai:expeditiorepositorio.utadeo.edu.co:20.500.12010/218662021-09-20 14:09:24.414metadata only accessRepositorio Institucional - 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