Reuse of Lignin to Synthesize High Surface Area Carbon Nanoparticles for Supercapacitors Using a Continuous and Single-Step Aerosol Method

超级电容器 木质素 材料科学 纳米颗粒 碳纤维 化学工程 气溶胶 纳米技术 比表面积 电容 有机化学 复合材料 化学 复合数 电极 工程类 物理化学 催化作用
作者
Sujit Modi,Onochie Okonkwo,Sulay Saha,Marcus Foston,Pratim Biswas
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (17): 17048-17057 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c04443
摘要

There is a growing demand for the synthesis of high surface area carbons, also known as carbon nanoparticles (CNPs). Existing synthesis methods for high surface area carbons have limited environmental benignity and economic viability due to the requirement of multistep and batch processes and harsh activating and/or templating chemicals. Herein, we demonstrate the synthesis of high surface area CNPs from lignin, a waste byproduct, through a single-step, continuous gas phase aerosol technique without the use of activating or templating chemicals. This continuous approach requires significantly less time for synthesis: on the order of seconds in comparison to hours for conventional methods. Properties of carbon materials synthesized from lignin are controlled by temperature and residence time, and the role of these parameters inside the aerosol reactor on carbon nanoparticle size, morphology, molecular structure, and surface area is systematically investigated. Furthermore, the as-obtained carbon nanoparticles are tested for specific capacitance, and the best-performing material (surface area 925 m2/g) exhibited a specific capacitance of 247 F/g at 0.5 A/g with excellent capacity retainment of over 98% after 10,000 cycles. This is a clear demonstration of their superior performance compared with supercapacitors synthesized earlier from lignin. Overall, the simple (single-step, continuous, and rapid) operation and the avoidance of the use of activating/templating chemicals make the aerosol technique a promising candidate for the scalable and sustainable synthesis of CNPs from lignin.
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