Nedávný článek v časopise Battery Energy popisuje metodu přeměny odpadu z cigaretových filtrů na uhlíkové nanomateriály pomocí jednokrokového procesu pyrolýzy s nízkým dopadem na životní prostředí. Cílem je znovu využít tento běžný odpadní materiál k výrobě elektrod pro superkondenzátory — zařízení, která ukládají energii a rychle se nabíjejí nebo vybíjejí, což je činí užitečnými pro systémy čisté energie.
S rostoucí globální produkcí odpadu se cigaretové filtry (CFW — cigarette filter waste) staly trvalým znečišťujícím prvkem. Vyrábějí se převážně z acetátu celulózy, syntetického polymeru, který se pomalu rozkládá a přispívá k uvolňování mikroplastů a toxických látek do životního prostředí. I když se cigaretové filtry obvykle vyhazují jako nerecyklovatelný odpad, obsahují vysoký obsah uhlíku, což z nich činí potenciální zdroj užitečného materiálu.
Přeměna biomasy a plastového odpadu na nanomateriály na bázi uhlíku v posledních letech vzrostla v popředí zájmu, protože tyto materiály nabízejí vysoký povrch, dobrou vodivost a silnou elektrochemickou stabilitu — klíčové vlastnosti pro skladování energie.
Cigaretové filtry, přestože jsou široce dostupné, byly v této oblasti do značné míry přehlíženy. Některé také obsahují oxid titaničitý (TiO2), který může zlepšit výkon výsledných materiálů posílením jejich katalytických vlastností. Znovupoužití filtrů do nanomateriálů nabízí způsob, jak nakládat s odpadem a zároveň přispívat k technologiím čisté energie.
Indičtí výzkumníci z Kumaunské univerzity v Nainitalu ve spolupráci s americkými kolegy z Texaské univerzity v El Pasu (UTEP) vyvinuli jednoduchý proces pro přeměnu použitých cigaretových filtrů na CNM (carbon nanomaterials — přesněji krystalická neoxidační uhlíková vlákna). Filtry různých značek shromáždili, vyčistili od zbytků tabáku a poté podrobili pyrolýze při 800 °C v dusíkové atmosféře. Teplotu zvyšovali stabilní rychlostí 10 °C/min. Tím se rozložila polymerní struktura a vznikl materiál bohatý na uhlík.
Po pyrolýze materiál vědci ošetřili kyselinou chlorovodíkovou za účelem odstranění kovových nečistot, opláchli deionizovanou vodou do dosažení neutrálního pH a sonikovali pro dosažení konzistence. Poté jej sušili ve vakuu při 60 °C. Konečný produkt obsahoval TiO2 a byl vhodný pro použití jako elektroda bez další úpravy.
Pro výrobu superkondenzátorů vědci nanesli tyto CNM na sběrače proudu a testovali různé vodné elektrolyty, jako je kyselina sírová a hydroxid draselný, aby optimalizovali výkon.
CNM vyrobené v této studii vykazovaly strukturní a chemické vlastnosti, které jsou vhodné pro použití v superkondenzátorech.
Ramanova spektroskopie a rentgenová difrakce potvrdily grafitovou uhlíkovou strukturu obsahující TiO2. První ze jmenovaných metod navíc odhalila silný 2D pás, který ukazuje na málo vrstevnaté struktury podobné grafenu, zatímco rentgenová difrakce (XRD) ukázala píky jak pro grafitový uhlík, tak pro TiO2 v anatasové fázi [nejčastější polymorfní forma oxidu titaničitého, která se vyskytuje v přírodě a je důležitým materiálem pro různé aplikace, jako je výroba pigmentů, katalyzátorů a fotovoltaických článků — pozn. red.]. Tato úroveň grafitizace podporuje dobrou elektrickou vodivost a dopování TiO2 přidává elektrochemickou funkčnost.
Rentgenová fotoelektronová spektroskopie dále ukázala, že CNM se skládají převážně z uhlíku, kyslíku, dusíku a malého množství titanu s povrchovými skupinami typickými pro materiály na bázi uhlíku.
Elektrochemické testy pak prokázaly vynikající výkon: vysokou specifickou kapacitu, nízký vnitřní odpor a dobrou cyklickou stabilitu. Povrchová plocha dosáhla přibližně 590 m2/g, což je mnohem více než u typických uhlíkových materiálů, a přispívá k lepšímu ukládání náboje.
Tato studie tak ukazuje, že odpad z cigaretových filtrů lze pomocí jednoduché metody pyrolýzy bez použití katalyzátoru přeměnit na užitečné uhlíkové nanomateriály (nejen) pro elektrody superkondenzátorů. Výsledné materiály nabízejí dobrý povrch, chemické vlastnosti a strukturní prvky, které splňují potřeby vysoce výkonných zařízení pro ukládání energie.
