Desenvolvimento de nanocompósitos baseados em derivados de grafeno e óxidos de metais de transição aplicados em sistemas de armazenamento de energia

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dc.contributor.advisorDomingues, Sergio Humberto
dc.contributor.authorSilva, Ederson Esteves da
dc.date.accessioned2023-11-01T12:00:11Z
dc.date.available2023-11-01T12:00:11Z
dc.date.issued2023-09-13
dc.description.abstractOs 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.
dc.description.sponsorshipIPM - Instituto Presbiteriano Mackenzie
dc.identifier.urihttps://dspace.mackenzie.br/handle/10899/33710
dc.language.isopt_BR
dc.language.isoen
dc.publisherUniversidade Presbiteriana Mackenzie
dc.subjectóxidos de metais de transição
dc.subjectóxido de grafeno reduzido
dc.subjectóxido de manganês
dc.subjectcapacitores eletroquímicos
dc.subjectnanocompósitos
dc.titleDesenvolvimento de nanocompósitos baseados em derivados de grafeno e óxidos de metais de transição aplicados em sistemas de armazenamento de energia
dc.typeTese
local.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/3585264786800637
local.contributor.advisorOrcidhttps://orcid.org/0000-0001-7190-3803
local.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4671327809168435
local.contributor.board1Maroneze, Camila Marchetti
local.contributor.board1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2414168927233444
local.contributor.board1Orcidhttps://orcid.org/0000-0002-6835-4476
local.contributor.board2Bonturim, Everton
local.contributor.board2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1155726883286152
local.contributor.board2Orcidhttps://orcid.org/0000-0001-5302-9091
local.contributor.board3Oliveira, Marcela Mohallem
local.contributor.board3Latteshttp://lattes.cnpq.br/5307836411711847
local.contributor.board4Souza, Victor Hugo Rodrigues de
local.contributor.board4Latteshttp://lattes.cnpq.br/5012256280377374
local.contributor.board4Orcidhttps://orcid.org/0000-0001-7697-0941
local.contributor.coadvisorMoraes, Maria Manuela Machado de
local.contributor.coadvisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/8003315191142884
local.description.abstractenElectrochemical capacitors, also known as supercapacitors, are energy storage devices that employ two distinct mechanisms for charge storage: electrostatic and faradaic. These mechanisms are directly related to the materials of the electrodes and electrolyte of these devices, and their efficiency depends on the properties of these materials. In this study, we synthesized a binary nanocomposite of manganese oxide (MnO2) and reduced graphene oxide (rGO) for energy storage applications, capitalizing on the pseudocapacitance effects of the metal oxide and the electrical double-layer mechanism of the graphene derivative. The nanocomposite synthesis was accomplished in a single step, using a hydrothermal route, with variation in the precursor proportions and contact time. The impact of the hydrothermal route on the reduction of GO was also evaluated. The structure and morphology of the materials were analyzed using Raman spectroscopy, UV-Vis, XRD, TGA, and SEM-EDS techniques. Electrochemical properties were investigated through cyclic voltammetry and impedance spectroscopy, employing two different electrolytes: Na2SO4 and KOH. The results revealed that GO and partially reduced rGO exhibited specific capacitances of 20 and 26 F.g-1 , respectively, at 5 mV.s-1 . MnO2 exhibited a capacitance value of 18 F.g-1 at 5 mV.s-1 , suggesting that electrodes formed with the active materials had series resistance, and in the case of MnO2, K+ contamination. In contrast, the MnO2-rGO nanocomposite demonstrated a calculated capacitance of 35 F.g-1 (5 mV.s-1 ), indicating a slight improvement in the capacitive effects of the system. Kinetic studies showed that MnO2 needles grew on the surface of rGO sheets, forming "urchin -like" structures. The contact time between the precursors resulted in different levels of coverage of the sheets, suggesting that the nano-needles precursors interacted with the pre-autoclaved rGO sheets. It was observed that by changing the electrolyte to KOH, the specific capacitance values changed significantly, reaching values of 175 F.g-1 for the shortest contact time (1 min) and 140 F.g-1 for the longest contact time (60 min). IES analyses demonstrated that the influence of rGO in the nanocomposites is related to the degree of coverage of the sheets by MnO2. Finally, we investigated a chemical reduction process using hydrazine vapor on the nanocomposite with shorter and longer contact times, achieving calculated capacitances of 352 and 434 F.g-1 , respectively, through the complete reduction of rGO.
local.keywordstransition metal oxides
local.keywordsreduced graphene oxide
local.keywordsmanganese oxide
local.keywordselectrochemical capacitors
local.keywordsnanocomposites
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentEscola de Engenharia Mackenzie (EE)
local.publisher.initialsUPM
local.publisher.programEngenharia de Materiais e Nanotecnologia
local.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS
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