外科用フェイスマスクをスーパーキャパシタ技術用のカーボンベースの薄膜電極にアップサイクル

Jul 17, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12146 (2023) この記事を引用

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一般的に使用されるプラスチックであるポリプロピレン (PP) は、外科用フェイスマスクの外層の製造に使用されます。 2020年には、約30億枚のサージカルマスクが環境中に廃棄され、野生動物、水生生物、生態系に大きな脅威を引き起こしました。 この研究では、外科用フェイスマスクを安定化するためのスルホン化技術と、スーパーキャパシタ電極として応用するためのカーボンナノ粒子への変換について報告しました。 電極は、カーボンナノ粒子のスラリーペーストを調製し、それを導電性のウェアラブル布地に貼り付けることによって作製されます。 炭素薄膜電極の性能を調査するには、電気化学的手法が使用されます。 6 モル KOH 電解質中でさまざまなスキャン速度で実行されたサイクリック ボルタンメトリー (CV) 分析により、カーボン薄膜が正極として機能することが明らかになりました。 4 A g-1 で、電極は 366.22 F g-1 の比静電容量を示し、8000 サイクルにわたって比静電容量の 100% 保持を示します。 2 電極非対称デバイスは、正極としてカーボン薄膜、負極として NiO 薄膜、および 2 つの電極間に KOH セパレータを使用して作製されます。 このデバイスは、1.3 A g-1 で 113.73 F g-1 の比容量を示し、赤色 LED を 6 分間点灯します。 この取り組みは、新型コロナウイルス感染症のパンデミック中に使用された外科用フェイスマスクから発生する廃棄物のアップサイクルとエネルギー貯蔵への応用に向けた一歩となる。

家庭や産業から排出される廃棄物は、環境、野生動物、水生動物、人間の健康に有害な損害を引き起こします1。 これらの廃棄物に含まれる有毒物質は、土壌、水、空気中の生物に影響を与えます。 しかし、最近の発展により、これらの廃棄物は有用な資源として活用されるようになりました2。 2019年、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックが世界を襲い、予防策の1つとしてサージカルマスクの使用が行われた。 これにより、世界中でフェイスマスクの生産が大幅に増加しました3、4、5、6。 サージカルフェイスマスクはポリプロピレン (PP) 製の使い捨て素材です。 PP はプラスチックの一種であり、これらのマスクの大量消費により、世界的なプラスチック廃棄物の問題がさらに深刻になっています7。 ナショナル ジオグラフィック誌の推計によると、2020 年には毎日 30 億枚以上のマスクが廃棄され、この傾向はその後 2 年間続きました8。 これらすべての PP ベースの外科用フェイスマスクが環境に投棄されると、生態系に深刻な脅威を引き起こします。 したがって、持続可能な開発のために、この問題に対処し、これらの使用済みフェイスマスクをリサイクルまたはアップサイクルするための効果的な解決策を見つける必要があります。 そのような解決策の 1 つは、炭素ベースのナノマテリアル (CNM) への変換です。 最も一般的に使用される CNM はグラフェン、活性炭、およびカーボン ナノチューブ (CNT) であり、廃棄物からのそれらの製造にはさまざまな潜在的な用途があります。 CNM は非常に優れた形態学的、化学的、機械的、電気的特性を備えているため、センサー、スーパーキャパシタ、トランジスタ、光電デバイスなどの開発への応用が大幅に増加します9。 さらに、CNM は、さまざまな合成技術を使用して、簡単、効率的、かつコスト効率よく製造されます 10,11。 ポリプロピレン (PP) は、さまざまな化学的方法によって CNM に還元されます 12、13。 廃棄物 (マスク) から CNM を生成すると、環境中のこれらの廃棄物の量が大幅に削減され、環境と生態系の浄化に役立ちます。

この研究では、フェイスマスクを安定化するためのスルホン化技術と、スーパーキャパシタ電極として応用するためのカーボンナノ粒子への変換について報告しました。 標準の特性評価ツールは、合成された材料に存在する形態、構成要素、および官能基を検査するために使用されます。 作製した電極の電気化学的性能とそのスーパーキャパシタへの応用は、CV、定電流充電または放電 (GCD)、および電気化学インピーダンス分光法 (EIS) を使用して分析されます。 電極は着用可能な綿生地で製造されています。 カーボン薄膜電極は、比静電容量、サイクル安定性、静電容量保持率など、優れた電気化学的性能を示します。この研究は、新型コロナウイルス感染症のパンデミック中に使用されたマスクから発生する廃棄物のアップサイクルと、スーパーキャパシタ技術へのその応用に向けた一歩です。 この研究は、エネルギー貯蔵装置の開発や環境修復に役立ちます。 報告された炭素薄膜電極は、以前に発表されたいくつかの研究と比較して良好な容量性挙動を示しています。