Optimización de la síntesis de carbón activado proveniente de desechos de café mediante agentes químicos activantes para su implementación en supercapacitores

Abstract

"Este trabajo de investigación evaluó el aprovechamiento de los desechos de café como material precursor lignocelulósico para la síntesis de carbón activado (CA) destinado a electrodos en supercapacitores. Para controlar la estructura porosa y mejorar el rendimiento electroquímico, se evaluaron y compararon dos rutas para la creación del material precursor: una carbonización a 300, 400 o 500 °C, y un tratamiento hidrotermal organosolv que empleó una mezcla de etanol y agua a 180 °C. Con el precursor listo, se contrastó una estrategia de activación simple, basada únicamente en hidróxido de potasio (KOH), frente a un método de activación dual. En la biomasa carbonizada, la activación dual incorporó urea con el propósito inicial de inducir un dopaje con nitrógeno; no obstante, los análisis elementales revelaron la ausencia de este heteroátomo. Por su parte, en la ruta organosolv se combinó KOH e hidróxido de sodio (NaOH) para promover el hinchamiento estructural de la celulosa. Las muestras se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), espectroscopía por dispersión de energía (EDS), difracción de rayos X (DRX), espectroscopía Raman y fisisorción de N2. Los resultados morfológicos y estructurales indicaron que la activación dual no solo incrementó la erosión y rugosidad superficial, sino que además redujo la degradación destructiva del plano basal del grafito turbostático, gracias a la atmósfera protectora proporcionada por los subproductos gaseosos de la urea. Los análisis Raman confirmaron una elevada densidad de defectos estructurales (AD/AG ≥ 1.32), coherente con la modificación microestructural observada. En cuanto al rendimiento electroquímico, los materiales obtenidos mediante activación dual y la ruta organosolv simple (o-s) mostraron una clara ventaja frente a la activación simple. Mediante ciclovoltamperometría (CV) a 5 mV s⁻¹, se alcanzaron capacitancias específicas (Cg) superiores a 200 F g⁻¹ en un sistema de tres electrodos. En las pruebas de carga-descarga galvanostática (GCD), la muestra o-s alcanzó un valor máximo de 313 F g⁻¹ a una densidad de corriente de 0.5 A g⁻¹. El análisis de desglose de carga (método de Dunn) demostró que el comportamiento del material con precursor organosolv estuvo dominado por un mecanismo capacitivo de doble capa eléctrica (EDLC). En contraste, las variantes activadas con urea exhibieron un aporte pseudocapacitivo significativo, derivado tanto de los grupos funcionales como del incremento de defectos. Finalmente, los ensayos en celdas tipo Swagelok de dos electrodos registraron valores de Cg de 62 F g⁻¹ (a-d1) y 58 F g⁻¹ (o-s), logrando densidades de energía (Ed) de 6.16 y 7.83 Wh kg⁻¹ a densidades de potencia (Pd) de 24676 y 20643 W kg⁻¹, respectivamente. Estos dispositivos conservaron una excelente estabilidad cíclica de hasta el 102% tras 3500 ciclos continuos, lo cual confirmó la viabilidad de los carbones activados provenientes de residuos alimenticios para el almacenamiento de energía de alto rendimiento."