Tàn thuốc lá chủ yếu bao gồm cellulose acetate - một loại nhựa - chất thải này mất nhiều năm để phân hủy và rò rỉ kim loại nặng vào đất. Tuy nhiên, chính cấu trúc polymer này lại biến chúng thành nguyên liệu có giá trị đối với các kỹ sư.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Henan ở Trung Quốc, đã tìm ra cách sử dụng tàn thuốc lá trong thiết kế siêu tụ điện. Đặc biệt, chất thải nguy hại này đã được chuyển đổi thành “điện cực carbon xốp nano tiên tiến” trong thiết bị cải tiến.
Các thiết bị thu được thể hiện mật độ năng lượng và công suất cao, cùng với độ ổn định lâu dài vượt trội. Điều này làm nổi bật sự kết hợp hiếm có giữa việc khắc phục ô nhiễm môi trường và giá trị công nghệ, các nhà nghiên cứu lưu ý trong thông cáo báo chí.
Nhóm nghiên cứu xác định tàn thuốc lá vứt bỏ - chủ yếu làm từ cellulose và cellulose acetate - là nguyên liệu sinh khối lý tưởng, giá rẻ. Khi được xử lý, chất thải nguy hại này biến đổi thành carbon xốp tiên tiến, cung cấp diện tích bề mặt lớn, cần thiết cho khả năng lưu trữ năng lượng cao.
Nhóm nghiên cứu sử dụng quy trình carbon hóa thủy nhiệt - nhiệt phân để chuyển đổi tàn thuốc lá thành than sinh học nano xốp phân cấp (CNPB), pha tạp nitơ và oxy. Bằng cách nung nóng chất thải đến 700°C với chất ăn mòn hóa học, nhóm làm nổ các quả cầu carbon đặc đó như bỏng ngô.
Điều này tạo ra cấu trúc tổ ong 3D siêu nhỏ với diện tích bề mặt khổng lồ. Cấu trúc độc đáo này, kết hợp với việc pha tạp nitơ và oxy để cải thiện độ dẫn điện, cho phép vật liệu đạt được điện dung riêng cao.
Vật liệu này cũng cực kỳ bền, ngay cả sau khi được sạc và xả 10.000 lần, vật liệu vẫn giữ được hơn 95% dung lượng ban đầu. Không giống như pin điện thoại thông minh bị hỏng sau vài năm, vật liệu này được chế tạo để sử dụng lâu dài.
Các thử nghiệm điện hóa tương ứng trong hệ thống ba điện cực cho thấy, CNPB-700-4 mang lại dung lượng riêng cao nhất là 344,91 F g⁻¹ ở 1 A g⁻¹, khả năng hoạt động ở định mức cao tuyệt vời và điện trở trong thấp, giữ lại dung lượng 95,44% sau 10.000 chu kỳ, theo thông cáo báo chí.
Tóm lại, phương pháp này chứng minh rằng, việc kiểm soát chính xác quá trình xử lý hóa học có thể tạo ra các điện cực bền vững, có hiệu suất tương đương hoặc vượt trội so với các sản phẩm thay thế thương mại đắt tiền.
Vì loại carbon mới có nguồn gốc từ tàn thuốc lá có diện tích bề mặt rất lớn, nó cho phép các ion di chuyển ra vào với tốc độ cực nhanh. Nghiên cứu này cho thấy tàn thuốc lá, vốn chỉ là gánh nặng độc hại cho môi trường, có thể được tái chế thành nguồn tài nguyên có giá trị cao cho tương lai.
Bí quyết thành công nằm ở vật liệu điện cực, cụ thể là diện tích bề mặt và độ dẫn điện của nó. Các siêu tụ điện tái chế như thế này này rất phù hợp cho các tác vụ tốc độ cao như ổn định lưới điện, tăng hiệu suất phanh của xe điện và cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Energy & Environment Nexus.
