Óxidos de metais de transição mistos e seus nanocompósitos : síntese e aplicação em sistemas de armazenamento de energia

Abstract

Buscando melhorar a performance dos dispositivos de armazenamento de energia por meio do desenvolvimento de novos nanomateriais e nanocompósitos, nesse trabalho estudou-se a síntese, caracterização e aplicação de um óxido de metal de transição misto, óxido de rutênio com óxido de tungstênio (RuO2-WO3) e seus nanocompósitos, baseados em óxido de grafeno reduzido (RuO2-WO3/rGO) e polianilina (RuO2-WO3/PAni). Para isso, foram utilizadas metodologias acessíveis e de baixo custo, obtendo os nanocompósitos em duas etapas, dividias entre: a obtenção do RuO2-WO3 e em seguida do nanocompósito, por meio do processo de mistura física (RuO2-WO3/rGO) de polimerização (RuO2-WO3/PAni). Na primeira etapa, investigou-se a síntese RuO2-WO3 produzido em três diferentes proporções entre os precursores de Ru:W, 1:10; 1:5; 1:2,5. Por meio de diversas caracterizações foram comprovadas a obtenção dessas estruturas, verificando a formação de defeitos, mudanças na cristalinidade, no band gap, morfologia e estabilidade térmica com a variação da proporção dos precursores. O comportamento eletroquímico de filmes finos RuO2-WO3, bem como do dispositivo simétrico desenvolvido com esse material, foi analisado, no qual o RuO2–WO3 apresentou uma performance superior quando comparado com as amostras controle de WO3 e RuO2. Os valores de capacitância do filme e do dispositivo foram de 661 mF cm-2 e 6,9 mF cm-2, respectivamente, sendo nove vezes maior que os valores de capacitância do WO3 e RuO2. A alta estabilidade e facilidade nos processos difusionais da amostra RuO2-WO3, revelaram que esse material é promissor para aplicação em supercapacitores. Com a síntese dos nanocompósitos por sua vez, RuO2-WO3/rGO e RuO2-WO3/PAni, as caracterizações indicaram uma grande sinergia entre os materiais, sejam os derivados de carbono ou o polímero condutor. Por conta desse efeito, os dispositivos simétricos construídos obtiveram maiores valores de capacitância de 12,9 mF cm-2 e 240 mF cm-2, respectivamente sendo esses 2 e 35 vezes maior que os materiais de controle. Esses resultados revelam a potencial aplicação dos materiais, RuO2-WO3, RuO2-WO3/rGO e RuO2-WO3/PAni para serem aplicados em eletrodos para supercapacitores, no qual o nanocompósito baseado em polianilina já apresenta uma elevada capacidade para substituir os sistemas comerciais utilizados atualmente.

Searching to improve the performance of the energy storage devices through the development of novel nanomaterials and nanocomposites, in this work studied the synthesis, characterization and application of a mixed transition metal oxide, ruthenium tungstate (RuO2-WO3) and its nanocomposites, based on reduced graphene oxide (RuO2-WO3/rGO) and polyaniline (RuO2-WO3/PAni). For this, affordable and low-cost methodologies were used, obtaining the nanocomposite in two-steps, dividing between synthesis of the mixed transition metal oxide and then of the nanocomposite, through the physical mixing (RuO2-WO3/rGO) polymerization process (RuO2-WO3/PAni). In the first stage the synthesis of RuO2-WO3, produced in three different proportions between precursors of Ru:W, 1:10; 1:5; 1:2,5. Through several characterizations, there were evidence of the obtained nanostructure, verifying the formation of defects, changes in crystallinity, band gap, varied morphology with increasing proportion and high thermal stability. The electrochemical behavior of RuO2-WO3 thin films and device were analyzed, in which RuO2–WO3 showed a superior performance when compared with the control samples, WO3 and RuO2. The capacitance values of the film and the device were 661 mF cm-2 and 6.9 mF cm-2, respectively, being ninefold higher that capacitance values of the WO3 and RuO2. The high stability and easier diffusion processes of the RuO2-WO3 sample revealed that this material is promising to be applied as a supercapacitor. With the synthesis of the nanocomposites in turn, RuO2-WO3/rGO and RuO2-WO3/PAni, the characterizations indicated a great synergy, be the carbon derivates or conductive polymer. Due to these aspects, the solid devices prepared to obtain higher capacitance values of 12.9 mF cm-2 and 240 mF cm-2, respectively being these values 2 and 35 times higher than the control materials. These results reveal the potential application of RuO2-WO3, RuO2-WO3/rGO and RuO2-WO3/PAni materials to be applied to supercapacitor electrodes, in which the polyaniline-based nanocomposite already has a high capacity to replace the commercial systems used today.