Mit mehr als einer Milliarde Rauchern weltweit ist laut der Weltgesundheitsorganisation der Tabakkonsum nicht nur ein Gesundheitsproblem, sondern auch ein großes Umweltproblem. Jährlich werden Billionen Zigarettenkippen weggeworfen, oft am Boden, wo sie Brände verursachen, von Tieren aufgenommen werden und Chemikalien in den Boden und ins Wasser gelangen.
Eine Gruppe südkoreanischer Forscher am Environmental Material & Process Lab der Seoul National University hat einen Weg gefunden, Zigarettenstummel aus schädlichem Abfall in einen Segen für Initiativen im Bereich grüne Energie zu verwandeln.
In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Nanotechnology veröffentlichten Artikel demonstrierten die Forscher ein einstufiges Verfahren, mit dem gebrauchte Zigarettenfilter (die Hauptkomponente von Kolben) in ein Material umgewandelt werden, das zur Speicherung von Energie in Superkondensatoren verwendet werden kann - Komponenten, die neben Batterien in verwendet werden können das Stromnetz, Unterhaltungselektronik und Elektrofahrzeuge.
Superkondensatoren zeichnen sich durch eine schnelle Leistungssteigerung aus, wenn sie benötigt werden (z. B. wenn Sie das Gaspedal in einem Elektroauto oder in Spitzenzeiten in einem Stromnetz betätigen), wodurch die Batterie entlastet wird und ein konstanter Durchfluss erzielt wird.
Das mit Stickstoff dotierte (N-dotierte) meso- / mikroporöse Hybridkohlenstoffmaterial (NCF), das aus gebrauchten Zigarettenfiltern hergestellt wird, hat eine große Oberfläche und eignet sich daher ideal für die Energiespeicherung in Superkondensatoren. (Nanotechnologie) Dem Papier zufolge wandeln sich die Celluloseacetatfasern in den Filtern in ein Kohlenstoffmaterial mit unterschiedlich großen Poren und einer großen Oberfläche um, wenn sie einer chemischen Zersetzung in einer als Pyrolyse bezeichneten Technik unterzogen werden. Dies macht das Material ideal für die Energiespeicherung in Superkondensatoren, da die Ionen eine physikalische Oberfläche zum Anhaften benötigen. Laut den Autoren übertrifft das Material auf Kolbenbasis die derzeit in Superkondensatoren verwendeten Substanzen wie Kohlenstoff, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren.
Minzae Lee, einer der Autoren der Zeitung, sagt, dass Zigaretten in den Köpfen vieler Menschen waren, weil die südkoreanische Regierung über eine Erhöhung der Tabaksteuern nachdenkt. Aber er sagt, es war Gil-Pyo Kim, einer seiner Mitautoren, der diese Idee zuerst hatte.
"Es gibt bereits zahlreiche Untersuchungen, die zeigen, dass Kohlenstoffmaterial durch Pyrolyse von Kunststoffmaterial synthetisiert werden kann", schreibt Lee. "Wir haben erwartet, dass die Umwandlung von Zigarettenkippen in ein Energiespeichermaterial eine Lösung für zwei vom Menschen herausfordernde Probleme sein könnte, nämlich Umwelt- und Energieprobleme."
Das Umwandeln von gebrauchten Stößen in supraleitendes Material erfordert jedoch eine angemessene Menge an Energie. Laut Lee muss die Temperatur des Filtermaterials in einer sauerstofffreien Umgebung um 5 Grad pro Minute erhöht werden, bis eine maximale Temperatur von 900 Grad Celsius erreicht ist. Dann wird das Material zwei Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Dieser Prozess ähnelt der Verarbeitung von Holz zu Holzkohle.
Einmal hergestellt, beschichteten die Forscher eine Elektrode mit ihrem Material und nicht mit der in herkömmlichen Superkondensatoren verwendeten Aktivkohle. und testete seine Fähigkeit zum Laden und Entladen durch Absorbieren und Freisetzen von Elektrolytionen.
Dem Papier zufolge war das von gebrauchten Filtern abgeleitete Material in der Lage, schneller zu laden und zu entladen sowie mehr elektrische Ladung zu speichern als herkömmliche Materialien. Das Material konnte diese Leistung durch 6.000 Lade- und Entladezyklen während des Tests aufrechterhalten.
Elon Musk, Gründer von Tesla Motors, gab 2011 bekannt, dass ein Durchbruch bei Superkondensatoren für die Zukunft von Elektrofahrzeugen wichtig sein wird. Erwarten Sie jedoch nicht, dass zukünftige Plug-in-Autos auf Batterien verzichten. Es ist die Fähigkeit der Superkondensatoren, beim Bremsen eines Fahrzeugs sehr schnell enorme Mengen an Leistung aufzunehmen, was sie für Elektrofahrzeuge geeignet macht. Die herkömmlichen Batterien nehmen dann den Strom langsam in ihre Zellen auf und können dort die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen. Es ist unwahrscheinlich, dass Superkondensatoren in naher Zukunft die Lagerfähigkeit von Batterien auf chemischer Basis erreichen.
"Superkondensatoren werden in Anwendungen verwendet, die ein schnelles Laden / Entladen erfordern, während Batterien für die größeren Energiemengen verwendet werden", schreibt Lee. "Superkondensatoren sollten gleichzeitig mit der Verwendung von Batterien in elektronische Geräte geladen werden."
Da sich diese Methode zur Verbesserung von Superkondensatoren noch in der Testphase befindet, ist nicht klar, wann das recycelte Zigarettenmaterial des Teams in Fahrzeuge oder andere Geräte gelangen wird. Aber es ist klar, dass, wenn die Zeit gekommen ist, die Produktion hochzufahren, es nicht an Zigarettenkippen mangeln wird, um Milliarden von Superkondensatoren zu bauen.
