커피 폐기물 기반의 질소가 포함된 다공성 탄소 섬유의 제조 및 전기화학적 응용

Synthesis of Nitrogen-Doped Porous Carbon Fibers Derived from Coffee Waste and Their Electrochemical Application

본 연구에서는 커피 폐기물 기반의 질소가 포함된 다공성 탄소 섬유 형태로 제조하여 고에너지 EDLC용 탄소소재로 활용하고자 하였다. 커피 폐기물은 분쇄과정을 거쳐 폴리비닐피롤리돈과 용매인 다이메틸폼아마이드에 혼합한후 전기방사를 통해 커피 폐기물 기반의 섬유 형태(Bare-CWNF)의 물질로 만들었으며, 질소 분위기의 900°C에서탄화를 진행하여 커피 폐기물 기반의 질소가 포함된 다공성 섬유 형태(Carbonized-CWNF)의 물질을 제조하였다. Carbonized-CWNF는 Bare-CWNF와 같이 섬유 형태를 유지하였으며, 질소 함량 역시 유지되는 것을 확인하였다. 커피 폐기물의 탄화 탄소(Carbonized-CW) 및 폴리아크릴로나이트릴 기반의 탄소 섬유(Carbonized-PNF)를 Carbonized-CWNF 와 -1.0–0.0V의 전압 범위에서 전기화학적 성능을 비교한 결과, Carbonized-CWNF가 가장 높은 비정전용량(123.8F g-1 @ 1A g-1 )을 확보할 수 있었다. 이를 통해 커피 폐기물 기반의 질소가 함유된 다공성 탄소 섬유가 고에너지 EDLC(Electric double layer capacitor)용 전극으로 우수한 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 최종적으로, 환경 오염의 원인이 되는식물성 바이오매스 중 커피 폐기물을 활용하여 친환경성을 확보하였고, 식물성 바이오매스와 같은 폐기물을 슈퍼커패시터와 같은 고성능 에너지 저장 매체로의 탈바꿈 할 수 있는 가능성을 제시하였다.

In this study, coffee waste was recycled into nitrogen-doped porous carbon fibers as an active material for high-energy EDLC (Electric Double Layer Capacitors). The coffee waste was mixed with polyvinylpyrrolidone and dissolved into dimethylformamide. The mixture was then electrospun to fabricate coffee waste-derived nanofibers (Bare-CWNF), and carbonization process was followed under a nitrogen atmosphere at 900°C. Similar to Bare-CWNF, the as-synthesized carbonized coffee waste-derived nanofibers (Carbonized-CWNF) maintained its fibrous form while preserving the composition of nitrogen. The electrochemical performance was analyzed for carbonized coffee waste (Carbonized-CW)-, carbonized PAN-derived nanofibers (Carbonized-PNF)-, and Carbonized-CWNF-based electrodes in the operating voltage window of -1.0–0.0V, Among the electrodes, Carbonized-CWNF-based electrodes exhibited the highest specific capacitance of 123.8F g-1 at 1A g-1 owing to presence of nitrogen and porous structure. As a result, nitrogen-contained porous carbon fibers synthesized from coffee waste showed excellent electrochemical performance as electrodes for high-energy EDLC. The experimental designed in this study successfully demonstrated the recycling of the coffee waste, one of the plant-based biomass that causes the environmental pollution into high-energy materials, also, attaining the ecofriendliness.