Sigara İzmaritlerinin Olağanüstü Uzun Vadeli Kararlılığa Sahip Karbon Elektrotlara Dönüştürülmesi

Hızlı, güvenilir ve sürdürülebilir enerji depolamaya yönelik artan talep, lityum iyon piller gibi geleneksel teknolojileri zorluyor. Süperkapasitörler, elektrostatik yük birikimi yoluyla enerji depoladıkları için hızlı şarj, yüksek güç çıkışı ve uzun çevrim ömrü sağlayan cazip bir alternatif sunuyor. Bununla birlikte, performansları büyük ölçüde elektrot malzemelerine, özellikle yüzey alanına, gözenek yapısına ve elektriksel iletkenliğe bağlıdır. Biyokütle kaynaklı gözenekli karbonlar, sürdürülebilir ve ayarlanabilir elektrot malzemeleri olarak giderek artan bir ilgi görüyor. Bunlar arasında, esas olarak selüloz ve selüloz asetattan oluşan sigara izmaritleri, polimerik yapısı sayesinde uygun şekilde işlendiğinde gelişmiş gözenekli karbonlar için umut vadeden öncüller olan, yeterince değerlendirilmemiş bir biyokütle kaynağını temsil ediyor.

Henan Üniversitesi'nden Leichang Cao'nun ekibi tarafından 13 Ocak 2026'da Energy & Environment Nexus'ta yayınlanan bir çalışma, yalnızca her yıl üretilen milyonlarca ton sigara izmariti atığının yönetimi gibi acil bir soruna değinmekle kalmıyor, aynı zamanda yeni nesil enerji depolama sistemleri için sürdürülebilir, düşük maliyetli elektrot malzemeleri üretmenin ölçeklenebilir bir yolunu da gösteriyor.

Bu çalışmada ilk olarak, atık sigara izmaritlerini N,O katkılı hiyerarşik nanoporlu biyokömürlere (CNPB'ler) dönüştürmek için hidrotermal karbonizasyon-piroliz aktivasyon stratejisi kullanıldı ve ardından yapı-performans ilişkilerini aydınlatmak için sistematik yapısal, kimyasal ve elektrokimyasal karakterizasyon yapıldı. Sigara izmaritleri, istiflenmiş küresel morfolojilere sahip azot içeren hidrokömür oluşturmak için hidrotermal olarak karbonize edildi ve daha sonra gözenek mimarisini ayarlamak için farklı oranlarda ve sıcaklıklarda potasyum hidroksit (KOH) kullanılarak aktive edildi. Taramalı elektron mikroskobu, başlangıçta yoğun, pürüzsüz karbon kürelerinin KOH aktivasyonundan sonra üç boyutlu iskele benzeri gözenekli yapılara dönüştüğünü ve artan KOH oranlarının küreleri daha gevşek, petek benzeri mezogözenekli ağlara dönüştürdüğünü ve bunun da hızlı iyon ve elektron taşınımını desteklediğini ortaya koydu. Azot adsorpsiyon-desorpsiyon analizleri, tüm aktifleştirilmiş CNPB'lerin oldukça gelişmiş mikro-mezogözenekli yapılar sergilediğini, en uygun numunenin (CNPB-700-4) ise 2.133,5 m² g⁻¹'lik ultra yüksek özgül yüzey alanına ve dengeli gözenek boyutu dağılımına (1-3 nm) ulaşarak verimli şarj depolama ve elektrolit difüzyonunu sağladığını göstermiştir. X-ışını kırınımı ve Raman spektroskopisi, orta düzeyde aktivasyon sıcaklığının (700 °C) uygun grafitizasyonu korurken aşırı kusur oluşumunu sınırladığını, daha yüksek sıcaklıkların ise yapısal düzensizliğe neden olduğunu göstermiştir. Elementel analiz ve XPS, piridinik ve pirolik azot türleri de dahil olmak üzere azot ve oksijen fonksiyonel gruplarının homojen bir şekilde dahil edildiğini doğrulamış ve bu da ek sözde kapasitans ve gelişmiş iletkenlik sağlamıştır. Üç elektrotlu bir sistemde yapılan ilgili elektrokimyasal testler, CNPB-700-4'ün 1 A g⁻¹'de 344,91 F g⁻¹'lik en yüksek özgül kapasiteyi, mükemmel hız kapasitesini ve düşük iç direnci sağladığını, 10.000 döngüden sonra %95,44 kapasite tutma oranına sahip olduğunu ortaya koymuştur. Simetrik iki elektrotlu bir süperkapasitöre monte edildiğinde, malzeme 24,33 Wh kg⁻¹'lik yüksek bir enerji yoğunluğuna ve 373,71 W kg⁻¹'lik bir güç yoğunluğuna ulaşarak birçok biyokütle kaynaklı ve ticari aktif karbondan daha iyi performans göstermiştir. Bu sonuçlar, kontrollü hidrotermal aktivasyon yönteminin gözenek yapısını, yüzey kimyasını ve grafitizasyonu doğrudan kontrol ettiğini ve bu faktörlerin sigara izmaritinden elde edilen CNPB'lerin olağanüstü elektrokimyasal performansını sinerjik olarak desteklediğini göstermektedir.

Sonuçlar, geleneksel olarak tehlikeli atık olarak görülen sigara izmaritlerinin yüksek değerli enerji depolama malzemelerine dönüştürülebileceğini göstermektedir. Elde edilen süper kapasitörler, şebeke stabilizasyonu, rejeneratif frenleme ve taşınabilir elektronik cihazlar gibi hızlı şarj ve uzun ömürlü uygulamalar için oldukça uygundur. Daha da önemlisi, bu çalışma, çevresel kirliliği azaltırken sürdürülebilir enerji teknolojilerini destekleyen, döngüsel ekonomi ilkeleriyle uyumlu, ölçeklenebilir ve çevre dostu bir atıktan kaynağa dönüşüm stratejisi sunmaktadır.

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1188027/from-litter-to-power-turning-cigarette-butts-into-high-performance-supercapacitors.html