Recyclage de masques chirurgicaux en électrodes à couche mince à base de carbone pour la technologie des supercondensateurs

Jun 23, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12146 (2023) Citer cet article

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Le polypropylène (PP), un plastique couramment utilisé, est utilisé pour fabriquer les couches externes d'un masque chirurgical. En 2020, environ 3 milliards de masques chirurgicaux ont été rejetés dans l’environnement, représentant une menace considérable pour la faune, la vie aquatique et les écosystèmes. Dans ce travail, nous avons rapporté la technique de sulfonation pour stabiliser les masques chirurgicaux et leur conversion en nanoparticules de carbone pour une application comme électrode de supercondensateur. L'électrode est fabriquée en préparant une pâte de nanoparticules de carbone et en la collant sur un tissu portable conducteur. Pour étudier les performances de l’électrode à couche mince de carbone, des techniques électrochimiques sont utilisées. L'analyse de voltammétrie cyclique (CV) effectuée à différentes vitesses de balayage dans un électrolyte KOH 6 molaire révèle que le film mince de carbone agit comme une électrode positive. À 4 A g−1, l'électrode présente une capacité spécifique de 366,22 F g−1 et une rétention de 100 % de la capacité spécifique pendant 8 000 cycles. Un dispositif asymétrique à deux électrodes est fabriqué en utilisant un film mince de carbone comme électrode positive, un film mince de NiO comme électrode négative et un séparateur KOH entre deux électrodes. L'appareil affiche une capacité spécifique de 113,73 F g−1 à 1,3 A g−1 et allume une LED rouge pendant 6 min. Ce travail constitue une étape vers la valorisation des déchets produits à partir des masques chirurgicaux utilisés pendant la pandémie de COVID-19 et leur application au stockage d’énergie.

Les déchets produits par les ménages et les industries causent des dommages néfastes à l’environnement, à la faune, aux animaux aquatiques et à la santé humaine1. Les matières toxiques présentes dans ces déchets affectent les organismes vivants du sol, de l’eau et de l’air. Cependant, des développements récents ont conduit à l’exploitation de ces déchets pour en faire des ressources utiles2. En 2019, la pandémie de COVID-19 a frappé le monde et l’une des mesures de précaution consistait à utiliser des masques chirurgicaux. Cela a conduit à une augmentation massive de la production de masques faciaux dans le monde entier3,4,5,6. Les masques chirurgicaux sont des matériaux à usage unique en polypropylène (PP). Le PP est un type de plastique et la consommation massive de ces masques a aggravé le problème des déchets plastiques à l’échelle mondiale7. Selon une estimation du National Geographic Magazine, en 2020, plus de 3 milliards de masques ont été jetés quotidiennement et la tendance s'est poursuivie pendant les 2 années suivantes8. Tous ces masques chirurgicaux à base de PP, lorsqu’ils sont rejetés dans l’environnement, constituent de graves menaces pour les écosystèmes. Il est donc nécessaire de résoudre ce problème et de trouver des solutions efficaces pour recycler ou valoriser ces masques usagés pour le développement durable. Une de ces solutions est leur conversion en nanomatériaux à base de carbone (CNM). Les CNM les plus couramment utilisés sont le graphène, le charbon actif et les nanotubes de carbone (CNT) et leur production à partir de déchets a diverses applications potentielles. Les CNM possèdent de très bonnes propriétés morphologiques, chimiques, mécaniques et électriques qui augmentent considérablement leur application pour le développement de capteurs, de supercondensateurs, de transistors, de dispositifs photoélectriques, etc.9. De plus, les CNM sont produits facilement, efficacement et de manière rentable à l'aide de diverses techniques de synthèse 10,11. Le polypropylène (PP) a été réduit en CNM via diverses méthodes chimiques12,13. La production de CNM à partir de déchets (masques) réduira considérablement la quantité de ces déchets dans l’environnement et contribuera à assainir l’environnement et les écosystèmes.

Dans ce travail, nous avons rapporté la technique de sulfonation pour stabiliser les masques faciaux et leur conversion en nanoparticules de carbone pour une application comme électrode de supercondensateur. Les outils de caractérisation standards sont utilisés pour examiner la morphologie, les éléments constitutifs et les groupes fonctionnels présents dans les matériaux synthétisés. Les performances électrochimiques des électrodes fabriquées et leur application de supercondensateur sont analysées par CV, charge ou décharge galvanostatique (GCD) et spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Les électrodes sont fabriquées sur un tissu en coton portable. L'électrode à couche mince de carbone présente de bonnes performances électrochimiques, c'est-à-dire une capacité spécifique, une stabilité cyclique, une rétention de capacité, etc. Ce travail est une étape vers le recyclage des déchets produits à partir des masques faciaux utilisés pendant la pandémie de COVID-19 et leur application dans la technologie des supercondensateurs. La recherche contribuera au développement de dispositifs de stockage d’énergie ainsi qu’à l’assainissement de l’environnement. L'électrode à couche mince de carbone présentée présente un bon comportement capacitif par rapport à certains travaux publiés précédemment.