Carbone attivo

[tecnonick]

Ciao a tutti, vorrei capire che reazione avviene in una cella composta in questo modo:

due elettrodi in grafite su cui è collocata una struttura di carbone attivo, immersi in soluzione KoH 30%, diamo corrente alla densità di 20-30mA per cm", in un elettrodo si dovrebbe sviluppare idrogeno, e nell'altro ossigeno, ma non è cosi, in entrambi gli elettrodi non si sviluppa nulla fino a che la tensione ai loro capi non supera 1,8 volt circa. A prima vista sembrerebbe che le superfici di carbone attivo accumulano idorgeno e ossigeno, ed in effetti quando si toglie corrente questa sorta di pila rimane carica calando di tensione molto lentamente, fino a stabilizzarsi intorno ai 0,75 volt, una volta raggiunta questa tensione è sufficiente applicare una corrente di circa 3-4uA alla tensione di 0,8V circa per mantenere la carica, quindi una potenza irrisoria anche condiderando dimensioni maggiori. Una volta caricata, offre una potenza utile pari ad una batteria al piombo delle stesse dimensioni, sembrerebbe proprio che in questo modo si crea un accumulatore a base di ossigeno e idrogeno, e quando si preleva corrente i gas si ricombinano per dare acqua, infatti sia in fase di cariche che di scarica non vengono a galla neanche microscopiche bolle di gas.

Un'altra prova che ho fatto mi fa dedurre ancora maggiormente che si tratta proprio di un accumulo di gas ma non so sotto che forma, infatti quando la batteria è carica, se togliamo l'elettrodo negativo in carbone e lo sostituiamo con uno in zinco o in ferro restituisce i relativi potenziali considerando le reazioni ossigeno-metallo.

E' già una realtà che il carbone attivo può essere utilizzato per stoccare idrogeno, e quindi potrebbe essere utilizzato anche per stoccare ossigeno, per cui questa potrebbe essere una sorta di batteria senza usura ad ossigeno-idrogeno, quando carichi scindi l'acqua, quando scarichi la ricomponi, l'unico problema è che la tensione utilizzabile senza un autoscarica eccessiva è di soli 0,7 volt.

Oggi sono 2 giorni che la tensione è stabile a 1,26 volt con un elettrodo in carbone attivo e l'altro in zinco, guardando i potenziali redox noto che ZnO₂^2-(aq) + 2H₂O + 2e^- <==> Zn(s) + 4OH^- = 1,215 Volt, valore che si avvicina molto a quello che vedo oggi, quindi all'apparenza pare essere proprio una pila che in questo caso sfrutto come elettrodo ad ossigeno(l'altro è zinco, ma nel momento in cui ho la pila scarica, quando la ricarico l'ossigeno si stacca dallo zinco e torna nel carbone), un altro test che mi ha dimostrato l'accumulo di ossigeno nel carbone attivo è stato quello di mettere il cilindretto carico sotto vuoto immerso in acqua, si vedono chiaramente le bolle di ossigeno che escono dal carbone fino a quando mantengo il vuoto, appena alzo la pressione non esce niente. Questo principio è utilizzato all'inverso per stoccare idrogeno nel carbone attivo, infatti viene caricato idrogeno in un ambiente pressurizzato, e poi per estrarre idrogeno è sufficiente aprire la valvola, e il carbone cede l'idrogeno. Quindi: se è possibile accumulare entrambi i gas sotto pressione, teoricamente dovrei realizzare un pila che non ha necessità di elementi metallici, e la sua capacità sarà proporzionale alla pressione, e la tensione stabile dovrebbe sempre essere intorno a 0,75 volt, più è alta la pressione e più gas posso stoccare nel carbone. Però questo sistema è pericoloso, perchè se cede la valvola o il contenitore accadrebbe che il carbone inizia a far uscire i due gas con pericolo di esplosione.

Dimenticavo: per chi volesse provare questo esperimento, anche se credo già lo sappia, il metallo di supporto dell'elettrodo positivo in carbone attivo dovrà essere nichel, perchè altrimenti si ossiderà in quanto si trova immerso in elettrolita e direttamente collegato al carbone carico di ossigeno, mentre quello negativo dovrà essere in stagno. Se usate la grafite va bene ma regge per 2-3 giorni, dopodichè si frantuma.

[tecnonick]

Trascorsi ormai 6 giorni dalla costruzione della prima cella a carbone attivo, la tensione è stabile e senza alcuna corrente di mantenimento, non si sono verificate perdite(strano, ma vero). Questo è un dato ottimo, e dovrebbe dimostrare che è possibile realizzare accumulatori molto economici basati soltanto su due elettrodi in carbone attivo immersi in elettrolita alcalino, accumulatori che a parità di peso pur avendo mediamente la stessa capacità di una batteria al piombo sono praticamente indistruttibili, con cicli di carica/scarica teoricamente infiniti (salvo distruzione del carbone), ecologici, molto economici, e non hanno polarità, possono essere caricati in entrambi i sensi.

Invito chi ne ha le possibilità a studiare un sistema di questo tipo ma pressurizzato e con carbone attivo ad altissima porosità, od eventualmente grafene, infatti avendo chiaramente costatato che la potenza accumulata dipende dalla quantità di gas intrappolato nel carbone, in teoria aumentando la pressione dovrebbe aumentare la capacità di accumulo e quindi la potenza della batteria, idem aumentando la superficie disponibile per lo stoccaggio dei gas.

Una cosa molto importante sarebbe ottenere un carbone attivo a bassa resistenza elettrica, infatti quello che sto utilizzando io non permette di avere grossi spunti, ne corrente di carica eccessiva, infatti a parità di capacità per ricaricarlo senza sovratensione eccessiva (e quindi senza perdita di efficienza) bisogna stare al 5-10% della sua capacità di accumulo.

La curva di scarica pare essere un incrocio tra un condensatore ed una batteria, infatti inizialmente la caduta di tensione è piuttosto lenta, e poco a poco la curva diventa leggermente esponenziale.

Non so con esattezza che ruolo possano giocare ossigeno e idrogeno, ma una cosa è certa: se l'elettrodo che ha accumulato idrogeno viene sostituito con un elettrodo in grafite la batteria non da tensione, se invece viene sostituito con un metallo, da tensione in base al metallo utilizzato, quindi siamo certi che all'interno dell'elettrodo positivo è l'ossigeno che rende questa una batteria, ma però ad esempio, se sostituisco l'elettrodo negativo (carico di idrogeno) con dello zinco ed eseguo il test di scarica, si comporta sempre come un incrocio tra condensatore e batteria, con la stessa tipologia di scarica e capacità(è evidente che la capacità dipende dalla quantità di ossigeno accumulato). A differenza di una batteria, dove verso la fine la tensione precipita, qui la tensione cala in modo leggermente esponenziale come detto poco fà, e pur arrivano la tensione a zero volt, è possibile ricaricare senza problemi, sia che si utilizza zinco sia che si utilizza carbone attivo.

Un altra utilità che potrebbe avere questo accumulatore è quella di poter sostituire in parte o del tutto la benzina nelle autovetture, infatti se si effettua la carica sotto pressione i due elettrodi dovrebbero accumulare un quantitativo notevole di idrogeno e ossigeno, nel momento in cui si apre la valvola che mantiene in pressione il sistema, il carbone dovrebbe rilasciare i gas accumulati, quindi regolando l'apertura della valvola in base al numero di giri del motore otteniamo un flusso di ossigeno e idrogeno che può essere iniettato in camera di scoppio aumentando le prestazioni in modo notevole rispetto al costo della benzina. Questo gioverebbe sicuramente rispetto ai sistemi di generazione gas su domanda, infatti non sfrutterebbe l'alternatore e la batteria dell'auto potendo essere caricato esternamente, ma riguardo la sicurezza potrebbe sempre essere pericoloso, perchè se cede la valvola non so con che velocità il carbone rilascia i gas. Ma per ovviare a questo problema si potrebbe testare un sistema inverso, ovvero carico a pressione ambiente ed estraggo facendo il vuoto, e considerando una dimensione di batteria consistente è probabile che sia sufficiente il vuoto generato all'aspirazione del motore per ottenere un flusso di gas adeguato, nel momento in cui il gas esce le porosità del carbone vengono riempite di elettrolita, quindi (già testato) anche mantenendo il vuoto in modo continuo il gas continuerà ad uscire fino a che tutto il carbone sarà pieno di elettrolita.

[Franco52]

Carissimo Tecnonik
Io non sono alla tua altezza in fatto di batterie e accumulatori, ma devo dire che la tua esperienza è veramente interessante!
Volevo farti due domande:
- che ne dici di usare grafene invece di carbone attivo?
-il tuo accumulatore si può usare anche come fuel cell?

[tecnonick]

Si, credo che utilizzando grafene si potrebbe realizzare un accumulatore molto più performante vista la sua vasta superficie e la bassa resistenza, però non è cosi facile realizzarlo ne realizzare un elettrodo in grafene, la cosa che però mi sembra strana è che un sistema cosi banale non sia saltato agli occhi degli studiosi scenziati etc.... è vero che nel 1950 avevano già realizzato una sorta di supercondensatore utilizzando soltanto due elettrodi in carbone attivo in soluzione di KoH, ma possibile che non si siano accorti che si poteva anche realizzare un accumulatore vero e proprio sfruttando il caricamento dell'ossigeno nel carbone attivo? probabilmente c'è qualcosa che mi sfugge... non so.

In fin dei conti una pila aria-metallo come si comporta: con lo stesso principio prelevo ossigeno dall'ambiente e lo sfrutto per generare un flusso di elettroni ossidando il metallo per ottenere corrente, questo sempre con l'elettrodo in carbone attivo, ma è ovvio che se al posto di tirare fuori l'ossigeno dall'aria lo metto direttamente nel carbone e lo lascio li ho realizzato la stessa cosa ma di potenza proporzionale alla quantità di ossigeno che riesco a infilare nel carbone, in un mio test uso una cella che ha una superficie di 1cm² e spessore di circa 2mm, questa cella l'ho caricata a 1,3 volt, nel giro di 24 ore si era stabilizzata a 1,267, dopo oltre 6 giorni che è stata caricata e immersa in elettrolita, la tensione è tuttora stabile a 1,265V, ha perso soltanto 2 millivolt, in questa cella l'altro elettrodo è zinco, l'elettrolita è una soluzione di KoH al 30% saturo di ossido di zinco sciolto in precedenza per ridurre al minimo l'autoerosione dell'elettrodo in zinco, quindi è chiaro che l'ossigeno presente nel carbone è ancora li. Forse c'è qualche perdita, ma è veramente irrisoria.

Riguardo le fuel cell in un certo senso c'è una somiglianza, infatti si preleva ossigeno e idrogeno per poi ricombinarli e ottenere corrente, ma però li abbiamo una membrana che impedisce ai due gas di disperdersi negli elettrodi opposti, ed in effetti se sostituiamo questa membrana con un elettrolita è probabile che l'unico problema nasce dal fatto che se andrei a pompare ossigeno e idrogeno andrebbero entrambi a finire dentro l'elettrolita perdendo moltissima eficienza, quindi vedendola in questo senso, è probabile che nel mio caso l'elettrolita funge da membrana e il gas non ha modo di entrare nell'elettrolita perchè non è pompato, ma è fermo li nel carbone. Se fosse cosi mi tornerebbero anche i conti visto che utilizzando due elettrodi in carbone attivo la tensione che mantengo è di 0,7 volt. Detto questo, capiamo che è sufficiente creare una adeguata struttura di grafene o carbone attivo o nanotubi di carbonio per realizzare un accumulatore veramente economico e di durata praticamente illimitata, infatti il carbone non avrebbe modo ne di sporcarsi e ne di usurarsi se immerso completamente in elettrolita in una cella a tenuta stagna.

[Franco52]

Tecnonik
Il grafene lo puoi fare semplicemente così:

Come si ottiene? 1) Armarsi di scotch, matita e di buona volontà;
2) Far aderire la punta della matita allo scotch, e poi toglierla sincerandosi che la grafite si sia depositata;
3) Ripiegare dalla parte appiccicosa lo scotch, chiudendola come se si piegasse un foglio di carta;
4) Riaprire lo scotch;
5)Ripetere i punti 3 e 4 più volte fino ad ottenere un solo strato di grafite ( ovvero il grafene).