Siêu tụ điện hóa (electrochemical supercapacitor) là thiết bị lưu trữ năng lượng với nhiều ưu điểm như mật độ công suất lớn (≥ 10 kW/kg), điện dung riêng lớn (vài đến vài trăm F/g), khả năng phóng/sạc nhanh, tuổi thọ hoạt động dài. Trong nhiều thập kỷ qua, các vật liệu điện cực được sử dụng trong siêu tụ thường là oxit kim loại, các polymer dẫn điện, các vật liệu nano carbon có diện tích bề mặt lớn. Tuy nhiên, vật liệu nano và polymer dẫn điện có chi phí sản xuất cao nên các vật liệu này bị hạn chế khả năng ứng dụng (Hasbullah & Noor, 2022; Teo et al., 2016).

Trong bối cảnh đó, việc tìm kiếm các tiền chất carbon giá rẻ, bền vững từ sinh khối nông nghiệp đang là một xu hướng được quan tâm. Vỏ củ ấu, với hàm lượng cellulose, hemicellulose và lignin (Khodayari et al., 2021), nổi lên như một nguồn nguyên liệu đầy hứa hẹn để làm vật liệu hấp phụ xử lý nước và làm điện cực siêu tụ điện. Quá trình chuyển hóa sinh khối thành than hoạt tính thường bao gồm hai giai đoạn chính: (i) nhiệt phân ở nhiệt độ trong khoảng 400 – 700 °C nhằm loại bỏ các thành phần bay hơi và hình thành bộ khung carbon và (ii) hoạt hóa bề mặt bằng phương pháp hóa học hoặc vật lý để phát triển hệ thống lỗ xốp trong cấu trúc carbon, qua đó làm tăng diện tích bề mặt riêng của vật liệu (Ukkakimapan et al., 2020).

Trên thế giới đã có một số báo cáo về việc sử dụng vỏ củ ấu để tổng hợp vật liệu carbon. Năm 2018, vỏ củ ấu lần đầu tiên được sử dụng để điều chế vật liệu carbon (dùng trong phân tích điện hóa), bằng phương pháp nhiệt phân và sau đó xử lí trong môi trường acid (Wang et al., 2019). Năm 2021, vỏ củ ấu được nhiệt giải trong điều kiện có mặt KOH để làm vật liệu trong việc hấp phụ khí CO2 (Zhao et al., 2021). Trong cùng năm này, một quy trình xanh tổng hợp vật liệu carbon pha tạp nitrogen từ nguồn nguyên liệu vỏ củ ấu và vỏ trứng (Hsu et al., 2021).

Mặc dù đã có những nghiên cứu ban đầu, việc khảo sát một cách hệ thống quy trình hoạt hóa hoá học bằng KOH và đánh giá đồng thời trên cả hai ứng dụng xử lý nước thải và siêu tụ điện từ vỏ củ ấu Việt Nam vẫn còn là một hướng đi mới. Vì vậy, trong nghiên cứu này, than hoạt tính (AC) được điều chế từ vỏ củ ấu có nguồn gốc Lấp Vò, Đồng Tháp. Quy trình thực hiện qua hai giai đoạn: tiền carbon hóa vỏ củ ấu trong môi trường khí Ar ở nhiệt độ 300°C trong 1 giờ, sau đó trộn với KOH tỷ lệ 1:2 và hoạt hóa trong môi trường Ar ở nhiệt độ 800°C trong 1 giờ. Các đặc tính về cấu trúc và hình thái của AC được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM). Hiệu quả ứng dụng của vật liệu được đánh giá thông qua khả năng xử lý nước thải nhuộm và các tính chất điện hóa (đo quét thế vòng tuần hoàn - CV, và phóng sạc dòng cố định - GCD) khi làm điện cực siêu tụ điện.

Hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu gồm: KOH (Sigma – Aldrich), Na₂SO₄ (Sigma – Aldrich), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) (Fisher), Poly(vinylidene fluoride) (PVdF) (Sigma – Aldrich), C65 (MTI). Quy trình tổng hợp vật liệu AC được nung trong lò nung ống, model GSL-1100X tại Phòng thí nghiệm Hóa Lý Ứng dụng – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh. Quy trình khảo sát khả năng hấp phụ methylen xanh của AC-vỏ củ ấu theo thời gian được đo bằng thiết bị đo UV-Vis, model: V-670 tại Phòng thí nghiệm Hóa Nano, bộ môn Hoá Lý, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh. Đánh giá cấu trúc của AC vật liệu thu được sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Bruker D8 – Advanced tại Phòng thí nghiệm phân tích trung tâm, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh. Phép đo sử dụng nguồn CuKα có bước sóng λ=0,15418 nm, góc quét 2θ từ 10 ^o đến 80 ^o, độ phân giải 0,020 ^o và thời gian lấy mẫu là 0,25 giây. Hình thái của AC được khảo sát bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị Jeol JSM-IT 200 tại Phòng thí nghiệm phân tích trung tâm, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh. Diện tích bề mặt riêng được nghiên cứu bằng phương pháp hấp phụ và giải hấp phụ khí N₂ trên thiết bị Quantachrome Autosorb-iQ2 , tại Viện Công nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.  Đánh giá tụ điện bằng phương pháp điện hoá quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry, CV) được thực hiện ở nhiều tốc độ quét khác nhau 5, 10, 20, 50, 75 và 100 mV/s trong vùng thế từ 0 V đến 1,0 V trong chất điện ly 1,0 M Na₂SO₄. Để đánh giá khả năng hấp phụ đồng thời các thông số ô nhiễm trong nước thải nhuộm chiếu bằng vật liệu chế tạo từ vỏ củ ấu, các chỉ số độ màu, pH, BOD₅, COD trong dung dịch nước thải nhuộm chiếu trước và sau hấp phụ được phân tích với thời gian cân bằng 90 phút, thể tích dung dịch 500 mL, khối lượng vật liệu hấp phụ sử dụng 0,5 gam. Kết quả phân tích được thực hiện tại Trung tâm Kiểm định và Kiểm nghiệm tỉnh Đồng Tháp. Các phương pháp phân tích tuân thủ theo các tiêu chuẩn hiện hành.

Trong nghiên cứu này, kết quả tổng hợp và khảo sát ứng dụng của vật liệu than hoạt tính (AC) từ phế phẩm vỏ củ ấu cho hai mục tiêu: xử lý nước thải và lưu trữ năng lượng được trình bày. Vật liệu được điều chế thành công bằng phương pháp nung pha rắn và hoạt hóa hóa học bằng potassium hydroxide (KOH). Phân tích XRD xác nhận cấu trúc carbon vô định hình đặc trưng, với đỉnh nhiễu xạ rộng tại 2θ ≈ 23–30° và 45°. Vật liệu có bề mặt xốp và diện tích bề mặt riêng đạt 774 m²/g. Trong ứng dụng xử lý môi trường, vật liệu đã được thử nghiệm trên mẫu nước thải thực tế từ làng nghề dệt chiếu Định Yên (Đồng Tháp), cho hiệu suất khử màu 99,89% và giảm trên 70% chỉ số BOD₅ và COD. Ngoài ra, khi ứng dụng làm điện cực siêu tụ điện trong dung dịch điện giải 1,0 M Na₂SO₄, vật liệu ghi nhận điện dung riêng cực đại là 32 F/g tại mật độ dòng 0,5 A/g, điện thế 1V và duy trì 86,5% điện dung sau 2000 chu kỳ.

Qua thời gian thực hiện, kết quả cho thấy, than hoạt tính từ vỏ củ ấu bằng phương pháp nung pha rắn kết hợp hoạt hóa hoá học bằng KOH được điều chế thành công trong nghiên cứu. Kết quả cho thấy vật liệu là carbon vô định hình và bề mặt xốp, tại điều kiện nung 800^oC (AC-vỏ ấu) cho diện tích bề mặt riêng lớn 774 m²/g. Khi ứng dụng hấp phụ xử lý môi trường, vật liệu AC-vỏ ấu đã thể hiện hiệu suất vượt trội, với khả năng loại bỏ gần như hoàn toàn màu trong nước thải nhuộm chiếu (99,89%) và làm giảm đáng kể các chỉ số ô nhiễm như BOD₅ và COD (trên 70%). Ngoài ra, trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, vật liệu AC-vỏ ấu khi được sử dụng làm điện cực cho tụ điện đối xứng cho tiềm năng đáng kể, với mức điện dung riêng đạt 32 F/g và độ bền chu kỳ ấn tượng, duy trì 86,5% sau 2000 chu kỳ phóng sạc. 

Những kết quả nghiên cứu này không chỉ khẳng định vỏ củ ấu là một tiền chất sinh khối đầy hứa hẹn để chế tạo vật liệu carbon cao cấp, mà quan trọng hơn, nó còn mở ra một hướng đi thực tiễn để phát triển các loại vật liệu đa chức năng "xanh" và chi phí thấp từ nguồn tài nguyên bản địa. Triển vọng ứng dụng của vật liệu này là rất lớn, từ việc cung cấp một giải pháp xử lý nước thải hiệu quả cho các làng nghề, khu công nghiệp, đến việc góp phần tạo ra các thiết bị tích trữ năng lượng giá rẻ, qua đó thúc đẩy mạnh mẽ mô hình kinh tế tuần hoàn tại Việt Nam.

Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ. Tập 62A, Số 1A (2026) (nthang)