Harnessing sustainable N-doped activated carbon from walnut shells for advanced all-solid-state supercapacitors and targeted Rhodamine B dye adsorption

超级电容器 材料科学 罗丹明B 活性炭 电容 吸附 化学工程 杂原子 纳米技术 电极 光催化 有机化学 化学 物理化学 催化作用 工程类 戒指(化学)
作者
Ahmad Husain,Khalid Ansari,Dhiraj K. Mahajan,M. Kandasamy,M.N.M. Ansari,Jayant Giri,Hamad A. Al‐Lohedan
出处
期刊:Journal of Science: Advanced Materials and Devices [Elsevier]
卷期号:9 (2): 100699-100699 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.jsamd.2024.100699
摘要

This research introduces a novel approach to repurposing walnut shells, an abundant agricultural waste, for the synthesis of sustainable nitrogen-doped activated carbon (N@AC). The resulting material exhibits remarkable properties suitable for dual applications in high-performance all-solid-state supercapacitors and efficient Rhodamine B dye (RhB) adsorption. In a three-electrode setup, the N@AC electrode exhibits an impressive specific capacitance of 484.6 F g-1 at 1 A g-1 and remarkable long-term stability, maintaining 97.4% of its initial performance even after 5000 charge-discharge cycles. Simultaneously, the all-solid-state symmetric supercapacitor configuration (N@AC//N@AC) demonstrates outstanding specific capacitance, registering at 168.8 F g-1 at 1 A g-1, accompanied by a favourable rate capability of 67.3% at 10 A g-1. Notably, the N@AC//N@AC configuration attains a high energy density of 39.8 WhKg−1 at 1 A g-1. Furthermore, N@AC//N@AC exhibits favourable cyclic stability, retaining 83.91% of its initial capacitance even after 10,000 charge-discharge cycles. Moreover, the adsorption efficiency of N@AC toward RhB is scrutinized, highlighting its efficacy in addressing environmental remediation challenges. The porous architecture and nitrogen functionalities of N@AC play a crucial role in expeditiously eliminating organic pollutants from aqueous solutions, offering a sustainable approach for treating wastewater. Optimal conditions for the highest RhB adsorption are identified: pH 7.2, a contact duration of 180 min, and an initial dye concentration of 20 mgL−1. Thermodynamic evaluations, encompassing the determination of ΔH◦, ΔH◦, and ΔS◦, signify the endothermic and spontaneous nature of the adsorption process. In desorption investigations, it is noted that H2O, employed as an eluting agent, proficiently releases 87.35% of the adsorbed RhB dye.
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