سنتز و مشخصه یابی کربن فعال شده از سبوس برنج

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

سیروس زمانی ¹ , پرمان مجیر شیبانی ² , مریم آزاده ³

1 - دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران
2 - دانشکده مهندسی متالورژی و مواد- پردیس دانشکده های فنی - دانشگاه تهران
3 - دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران

تاریخ دریافت : 1399/02/27 تاریخ پذیرش : 1399/07/14 تاریخ انتشار : 1399/06/01

کلید واژه: سبوس برنج, کربن فعال شده, مزومتخلخل, سیلیس,

چکیده مقاله :

مقاله حاضر سبوس برنج را به عنوان پیش‌ماده ای ارزان قیمت برای سنتز کربن فعال‌شده مورد بررسی قرار می دهد. سبوس برنج به عنوان ضایعات کشت برنج به شمار می رود. این ماده که نظر ظاهری ساختاری توخالی و شبه لوله ای دارد، علاوه بر اکسیدهای قلیایی، حاوی 16% سیلیسیوم و نیز ترکیبات کربنی است. وجود سیلیسیوم و کربن (در کنار سایر عناصر ارزشمند) سبب شده است که از بیش از 3 دهه پیش، این ماده به عنوان یکی از منابع تهیه کاربید سیلیسیوم مورد استفاده قرار گیرد. در این راستا و با توجه به نیاز فن آوری انرژی های تجدید پذیر (به ویژه باتری های لیتیمی و پیل های سوختی) و نیز صنعت مواد جاذب، بهره گیری از سبوس برنج به عنوان ماده اولیه سنتز کربن فعال مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در این مقاله، کربن طی یک فرآیند ساده و اقتصادی و از طریق پیرولیز سبوس برنج در دمای C 400 به مدت 2 ساعت در اتمسفر هوا حاصل شد. سپس با استفاده از سدیم هیدروکسید، کربن به دست آمده فعال سازی و تا دمای C 800 درجه حرارت داده شد. مشخصه‌یابی کربن سنتزشده با روش‌های طیف‌سنجی رامان، اندازه‌گیری سطح ویژه، پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ عبوری روبشی صورت پذیرفت. نتایج نشان می دهد که در اثر به کارگیری این فرآیند، کربن فعال‌شده با مساحت سطح ویژه‌ی m2.g-1 580 و حفرات در محدوده مزومتری (با اندازه متوسط ۱۰ نانومتر) از سبوس برنج به دست می آید.

چکیده انگلیسی:

Rice husk (RH) is considered as the starting material for synthesis of materials such as silicon carbide. The use of this material as a low-cost resource for production of low-cost and high capacity anode materials is becoming a trend due to the availability of this material on a worldwide scale. Following this trend, this manuscript focuses on the synthesis of activated carbon (AC) from rice husk. Activated carbon was synthesized by pyrolysis of RH under air atmosphere at 400 C for 2 hours followed by NaOH treatment and heating to 800 C for activation. Formation of the activated carbon was confirmed through XRD measurements. Products were characterized morphologically. A mesoporous structure with a high surface area of 580 m2.g-1 (determined through BET measurements) is formed. Detailed analysis discloses the fact that the pore size is in the range of hundreds of nanometers to about one micron which makes the material suitable for application in lithium-ion batteries.

منابع و مأخذ:

[1]E. Y. L. Teo, L. Muniandy, E.-P. Ng, F. Adam, A. R. Mohamed, R. Jose, et al., "High surface area activated carbon from rice husk as a high performance supercapacitor electrode," Electrochimica Acta, vol. 192, pp. 110-119, 2016.

[2]E. Frackowiak and F. Beguin, "Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors," Carbon, vol. 39, pp. 937-950, 2001.

[3]S. Bashkova, F. S. Baker, X. Wu, T. R. Armstrong, and V. Schwartz, "Activated carbon catalyst for selective oxidation of hydrogen sulphide: on the influence of pore structure, surface characteristics, and catalytically-active nitrogen," Carbon, vol. 45, pp. 1354-1363, 2007.

[4]B. Viswanathan, P. I. Neel, and T. Varadarajan, "Methods of activation and specific applications of carbon materials," India, Chennai, 2009.

[5]N. Soltani, A. Bahrami, M. Pech-Canul, and L. González, "Review on the physicochemical treatments of rice husk for production of advanced materials," Chemical engineering journal, vol. 264, pp. 899-935, 2015.

[6]Y. Li, F. Wang, J. Liang, X. Hu, and K. Yu, "Preparation of disordered carbon from rice husks for lithium-ion batteries," New Journal of Chemistry, vol. 40, pp. 325-329, 2016.

[7]F. Zhang, S. Cheng, D. Pant, G. Van Bogaert, and B. E. Logan, "Power generation using an activated carbon and metal mesh cathode in a microbial fuel cell," Electrochemistry Communications, vol. 11, pp. 2177-2179, 2009.

[8]N. A. Travlou, M. Seredych, E. Rodríguez-Castellón, and T. J. Bandosz, "Activated carbon-based gas sensors: effects of surface features on the sensing mechanism," Journal of Materials Chemistry A, vol. 3, pp. 3821-3831, 2015.

[9]I. Mochida, Y. Korai, M. Shirahama, S. Kawano, T. Hada, Y. Seo, et al., "Removal of SOx and NOx over activated carbon fibers," Carbon, vol. 38, pp. 227-239, 2000.

[10]A. Bhatnagar, W. Hogland, M. Marques, and M. Sillanpää, "An overview of the modification methods of activated carbon for its water treatment applications," Chemical Engineering Journal, vol. 219, pp. 499-511, 2013.

[11]آمنه اسحاقی، سام حائری پور، تخریب فتوکاتالیستی رنگ راکتیو قرمز 198 توسط نانو کتمپوزیت دی اکسید تیتانیم-کربن فعال مواد نوین، دوره 7، شماره 26 زمستان 1395، ص 35-48.

 [12] J. Wang and S. Kaskel, "KOH Activation of Carbon-based materials for energy storage", Journal of materials chemistry, vol. 22, 23710, 2012.

[13]A. Salanti, L. Zoia, M. Orlandi, F. Zanini, and G. Elegir, "Structural characterization and antioxidant activity evaluation of lignins from rice husk," Journal of agricultural and food chemistry, vol. 58, pp. 10049-10055, 2010.

[14]T. H. Liou, P. Y. Wang, "Utilization of rice husk wastes in synthesis of graphene oxide-based carbonaceous nanocomposites", Waste Management, vol. 108, pp. 51-61, 2020.

[15]G. Athira, A. Bahurudin, S. Appari, "Sustainable alternatives to carbon-intensive paddy ", Journal of cleaner production, vol. 236, 117598, 2019.

[16]M. Azadeh, C. Zamani, A. Ataie, J. R. Morante, and N. Setoudeh, "Role of the

milling parameters on the mechano-chemically synthesized mesoporous nanosilicon porperties for Li-ion batteries anode", Journal of physics and chemistry of solids, vol. 139, 109318, 2020.

[17]T. H. Liou, "Evolution of chemistry and Morphology during carbonization and combustion of rice husk", Carbon, vol. 42, pp. 785-794, 2004.

[18]M. Azadeh, C. Zamani, and A. Ataie, "Synthesis of Si/MgO/Mg2SiO4 Composite from Rice Husk-Originated Nano-Silica," Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials, vol. 49, pp. 92-96, 2016.

[19]M. Azadeh, C. Zamani, A. Ataie, and J. Morante, "Three-dimensional Rice husk-Originated Mesoporous Silicon and its Electrical Properties," Materials Today Communications, vol. 14, pp. 141-150, 2018.

[20]D. Kalderis, S. Bethanis, P. Paraskeva, and E. Diamadopoulos, "Production of activated carbon from bagasse and rice husk by a single-stage chemical activation method at low retention times," Bioresource technology, vol. 99, pp. 6809-6816, 2008.

[21]Y. Liu, Y. Guo, Y. Zhu, D. An, W. Gao, Z. Wang, et al., "A sustainable route for the preparation of activated carbon and silica from rice husk ash," Journal of hazardous materials, vol. 186, pp. 1314-1319, 2011.

[22]A. C. Lua and T. Yang, "Effect of activation temperature on the textural and chemical properties of potassium hydroxide activated carbon prepared from pistachio-nut shell," Journal of colloid and interface science, vol. 274, pp. 594-601, 2004.

[23]X. Peng, J. Fu, C. Zhang, J. Tao, L. Sun, and P. K. Chu, "Rice Husk-Derived Activated Carbon for Li Ion Battery Anode," Nanoscience and Nanotechnology Letters, vol. 6, pp. 68-71, 2014.

[24]J. Alvarez, G. Lopez, M. Amutio, J. Bilbao, and M. Olazar, "Upgrading the rice husk char obtained by flash pyrolysis for the production of amorphous silica and high quality activated carbon," Bioresource technology, vol. 170, pp. 132-137, 2014.

[25]L. Chen, Y. Zhang, C. Lin, W. Yang, Y. Meng, Y. Guo, et al., "Hierarchically porous nitrogen-rich carbon derived from wheat straw as an ultra-high-rate anode for lithium ion batteries," Journal of Materials Chemistry A, vol. 2, pp. 9684-9690, 2014.

[26]S.-W. Han, D.-W. Jung, J.-H. Jeong, and E.-S. Oh, "Effect of pyrolysis temperature on carbon obtained from green tea biomass for superior lithium ion battery anodes," Chemical Engineering Journal, vol. 254, pp. 597-604, 2014.

[27]S.-X. Wang, L. Yang, L. P. Stubbs, X. Li, and C. He, "Lignin-derived fused electrospun carbon fibrous mats as high performance anode materials for lithium ion batteries," ACS applied materials & interfaces, vol. 5, pp. 12275-12282, 2013