Desenvolvimento de nanocompósitos baseados em derivados de grafeno e óxidos de metais de transição aplicados em sistemas de armazenamento de energia
Tipo
Tese
Data de publicação
2023-09-13
Periódico
Citações (Scopus)
Autores
Silva, Ederson Esteves da
Orientador
Domingues, Sergio Humberto
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Membros da banca
Maroneze, Camila Marchetti
Bonturim, Everton
Oliveira, Marcela Mohallem
Souza, Victor Hugo Rodrigues de
Bonturim, Everton
Oliveira, Marcela Mohallem
Souza, Victor Hugo Rodrigues de
Programa
Engenharia de Materiais e Nanotecnologia
Resumo
Os capacitores eletroquímicos, também conhecidos como supercapacitores, são dispositivos de
armazenamento de energia que utilizam dois mecanismos distintos para armazenar carga: um
eletrostático e outro faradaico. Esses mecanismos estão diretamente relacionados aos materiais
dos eletrodos e eletrólito desses dispositivos, e sua eficiência depende das propriedades desses
materiais. Neste trabalho, sintetizamos um nanocompósito binário de óxido de manganês
(MnO2) e óxido de grafeno reduzido (rGO) para aplicação em armazenamento de energia,
aproveitando os efeitos de pseudocapacitância do óxido metálico e o mecanismo de dupla
camada elétrica do derivado de grafeno. A síntese do nanocompósito ocorreu em uma única
etapa, utilizando uma rota hidrotermal, com variação na proporção e no tempo de contato entre
os precursores. Também foi avaliado o impacto da rota hidrotermal na redução do óxido de
grafeno (GO). A estrutura e morfologia dos materiais foram analisadas por meio das técnicas
de espectroscopia Raman e UV-Vis, DRX, TGA e MEV-EDS. As propriedades eletroquímicas
foram investigadas por voltametria cíclica e espectroscopia de impedância, empregando dois
eletrólitos distintos: Na2SO4 e KOH. Os resultados mostraram que GO e rGO parcialmente
reduzido apresentaram capacitâncias especificas de 20 e 26 F.g-1
, respectivamente em 5 mV.s 1
. O MnO2 apresentou valores de capacitância de 18 F.g-1 em 5 mV.s-1
, sugerindo que os
eletrodos formados com os materiais ativos apresentavam resistência em série e, no caso do
MnO2 contaminação por K+. Por outro lado, o nanocompósito MnO2-rGO demonstrou uma
capacitância calculada de 35 F.g-1 demonstrando uma pequena melhora nos efeitos capacitivos
do sistema. Verificamos também, por meio de estudos cinéticos, que o crescimento das agulhas
de MnO2 crescem sobre as folhas de rGO, formando estruturas semelhantes a "ouriços". O
tempo de contato entre os precursores resultou em diferentes níveis de recobrimento das folhas,
sugerindo que os precursores das nanoagulhas interagem com as folhas de rGO pré-autoclave.
Foi observado que, com a troca de eletrólito para KOH, os valores de capacitância específica
mudaram significativamente, atingindo valores de 175 F.g-1 para o menor tempo de contato (1
min) e 140 F.g-1 para o maior tempo de contato (60 min). Análises de IES demonstraram que a
influência do rGO nos nanocompósitos está relacionada ao grau de recobrimento das folhas
pelo MnO2. Por fim, investigamos um processo de redução química por vapor de hidrazina no
nanocompósito com menor e maior tempo de contato, alcançando capacitâncias calculadas de
352 e 434 F.g-1
, respectivamente, pela conversão de rGO totalmente reduzido.
Descrição
Palavras-chave
óxidos de metais de transição , óxido de grafeno reduzido , óxido de manganês , capacitores eletroquímicos , nanocompósitos