Montagem de supercapacitores a partir de fibras de grafite e polímeros condutores empregando hidogéis como eletrólitos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ruthes, Jean Gustavo de Andrade
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/80463
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Marcio Eduardo Vidotti
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spelling Riegel-Vidotti, Izabel CristinaUniversidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em QuímicaMiyata, Marcio Eduardo Vidotti, 1978-Ruthes, Jean Gustavo de Andrade2022-12-13T15:59:23Z2022-12-13T15:59:23Z2022https://hdl.handle.net/1884/80463Orientador: Prof. Dr. Marcio Eduardo VidottiCoorientadora: Profa. Dra. Izabel Riegel VidottiDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 15/07/2022Inclui referências: p. 77-86Resumo: O desenvolvimento de novos materiais flexíveis e eletroativos é um grande desafio para produzir dispositivos de armazenamento de energia seguros, confiáveis e amigáveis ao meio ambiente. Entre as diversas propriedades desejadas na estruturação de dispositivos flexíveis, parâmetros como área eletroativa e síntese segura são os principais objetivos de processo. Sendo assim, o presente trabalho utiliza fio de grafite modificado eletroquimicamente com nanotubos de polipirrol via eletropolimerização utilizando moléculas template framework de alaranjado de metila em pH 2. Combinando estes eletrodos com o hidrogel quasi-sólido à base de poli(álcool vinílico) (PVA) intumescido com soluções iônicas como meio eletrolítico. Assim, possibilitando a estruturação de um protótipo de supercapacitor flexível. Experimentos de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e transmissão (MET) indicaram que a eletropolimerização possibilitou a estruturação de nanotubos e nanopartículas de polipirrol na superfície das fibras de grafite, sem prejudicar sua flexibilidade, ao mesmo tempo em que aumentou significativamente sua condutividade devido ao incremento da área de superfície eletroativa. Além disso, o hidrogel preparado neste trabalho indicou versatilidade e um método simples de síntese através do processo de congelamento-descongelamento (freeze-thawing), sendo, posteriormente, possível moldar suas propriedades através de experimentos de intumescimento devido a seu comportamento hidrofílico. Os experimentos de intumescimento exibiram um aumento da massa próximo a 27,5% em períodos de uma hora de imersão em soluções aquosas. Os experimentos espectroscopia de impedância eletroquímica do hidrogel sugerem um material poroso com um valor de condutividade de 3,56 mS cm¯¹. Além disso, o material quasi-sólido exibiu flexibilidade e rigidez notáveis, suportando 28,91 N mm¯¹ antes de sofrer ruptura. Ao ser completamente seco, atingindo um estado similar a um plástico e de não-condutividade, o hidrogel manteve sua estrutura e propriedade de intumescimento, recuperando a flexibilidade e condutividade quando intumescido novamente. Tais propriedades sugerem um material com bom potencial para aplicação no desenvolvimento de armazenadores de energia do estado quasi-sólido. Portanto, a combinação do eletrodo modificado e do sistema eletrolítico quasi-sólido em um aparato pseudocapacitivo sugeriu elavada superfície de contato, atingindo valores de capacitância específica de 122,97 F g¯¹ em densidade de corrente de 1 A g¯¹. Também apontou valores significativos e comparáveis de energia e densidades de potência próximas a 22,77 W h kg¯¹ e 0,580 kW kg¯¹, respectivamente. Contudo o sistema apresentou um valor próximo à 81% de sua capacidade de retenção após 250 ciclos de uso à temperatura e pressão ambiente, porém não mostrou nenhuma modificação em sua flexibilidade. Entretanto, com a conexão em série de 3 dispositivos estruturados, foi possível armazenar energia para alimentar uma lâmpada LED de 1,9 V por cerca de 35 segundos. Tais propriedades sugerem que o protótipo desenvolvido neste trabalho possui parâmetros desejáveis para montagem de sistemas de armazenamento de energia flexíveis de estado sólido e/ou quasi-sólido com um meio eletrolítico recuperável, moldável e versátil que pode ser aplicado ao desenvolvimento de supercapacitores flexíveis seguros, confiáveis e amigáveis ao meio ambiente.Abstract: The development of new flexible and electroactive materials is a major challenge to produce safe, reliable, and environmentally friendly energy storage devices. Among the various properties desired in the structuring of flexible devices, parameters such as electroactive area and safe synthesis are the main objectives. Therefore, the present work used electrochemically modified graphite wire with polypyrrole nanotubes via electropolymerization using methyl orange framework template molecules at pH 2. Combining these electrodes with quasi-solid polyvinyl alcohol (PVA) based hydrogel intumesced with ionic solutions as electrolyte medium. Thus, enabling the structuring of a flexible supercapacitor prototype. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) experiments indicated that electropolymerization enabled the structuring of polypyrrole nanotubes and nanoparticles on the surface of graphite fibers, without compromising their flexibility, while significantly increasing their conductivity due to the increased electroactive surface area. Furthermore, the hydrogel prepared in this work indicated versatility and a simple method of synthesis through the freeze-thawing process, and it was subsequently possible to shape its properties through intumescence experiments due to its hydrophilic behavior. The swelling experiments exhibited a mass increase of about 27,5% over periods of one hour of immersion in aqueous solutions. The electrochemical impedance spectroscopy experiments of the hydrogel suggest a porous material with a conductivity value of 3,56 mS cm¯¹. In addition, the quasi-solid material exhibited remarkable flexibility and stiffness, withstanding 28,91 N mm¯¹ before rupture. After completely dried and reaching a plastic-like and non-conductive state, the hydrogel retained its structure and swelling property, regaining flexibility and conductivity when swollen properties suggest a material with good potential for application in the development of quasi-solid state energy stores. Therefore, the combination of electrode and the quasi-solid electrolyte system in a pseudocapacitive apparatus suggested high contact surface area, reaching specific capacitance values of 12,.97 F g¯¹ at a current density of 1 A g¯¹. It also pointed out significant and comparable values of energy and power densities close to 22,77 W h kg¯¹ and 0,580 kW kg¯¹, respectively. However, the system showed a value close to 81% of its holding capacity after 250 cycles of use at ambient temperature and pressure but showed no change in its flexibility. Nevertheless, with a connection of 3 structured devices in series, it was possible to store energy to power a 1.9 V LED lamp for about 35 seconds. Such properties suggest that the prototype developed in this work possesses desirable parameters for assembling flexible solid-state and/or quasi-solid energy storage systems with a recoverable, moldable, and versatile electrolyte medium that can be applied to the development of safe, reliable, and environmentally friendly flexible supercapacitors.Zusammenfassung: Die Entwicklung neuer flexibler und elektroaktiver Materialien ist eine große Herausforderung für die Herstellung sicherer, zuverlässiger und umweltfreundlicher Energiespeicher. Unter den verschiedenen Eigenschaften, die bei der Strukturierung flexibler Geräte gewünscht werden, sind Parameter wie der elektroaktive Bereich und die sichere Synthese die wichtigsten Prozessziele. Daher wurden in der vorliegenden Arbeit elektrochemisch modifizierte Graphitdrähte mit Polypyrrol-Nanoröhrchen durch Elektropolymerisation mit Methylorange-Gerüstmolekülen bei pH 2 verwendet. Diese Elektroden wurden mit einem quasi festen Hydrogel auf Polyvinylalkoholbasis (PVA) kombiniert, das mit ionischen Lösungen als Elektrolytmedium getränkt wurde. Dies ermöglichte die Strukturierung eines flexiblen Superkondensator-Prototyps. Experimente mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigten, dass die Elektropolymerisation die Strukturierung von Polypyrrol-Nanoröhrchen und Nanopartikeln auf der Oberfläche von Graphitfasern ermöglichte, ohne deren Flexibilität zu beeinträchtigen, und gleichzeitig deren Leitfähigkeit aufgrund der vergrößerten elektroaktiven Oberfläche deutlich erhöhte. Darüber hinaus zeigte das in dieser Arbeit hergestellte Hydrogel Vielseitigkeit und eine einfache Synthesemethode durch den Gefrier-Auftau-Prozess, und es war anschließend möglich, seine Eigenschaften durch Intumeszenz-Experimente aufgrund seines hydrophilen Verhaltens zu formen. Die Quellungsexperimente zeigten eine Massenzunahme von etwa 27,5 % bei einer einstündigen Immersion in wässrigen Lösungen. Die EIE-Experimente des Hydrogels lassen auf ein poröses Material mit einem Leitfähigkeitswert von 3,56 mS cm¯¹ schließen. Darüber hinaus wies das quasi feste Material eine bemerkenswerte Flexibilität und Steifigkeit auf und hielt 28,91 N mm¯¹ stand, bevor es zerbrach. Nachdem das Hydrogel vollständig getrocknet war und einen plastikähnlichen und nicht leitfähigen Zustand erreicht hatte, behielt es seine Struktur und seine Quelleigenschaften bei und gewann im gequollenen Zustand seine Flexibilität und Leitfähigkeit zurück. Die kombinierte Elektrode und das quasifeste Elektrolytsystem in einer pseudokapazitiven Vorrichtung wiesen daher eine hohe Kontaktfläche auf und erreichten spezifische Kapazitätswerte von 122,97 F g¯¹ bei einer Stromdichte von 1 A g¯¹. Außerdem wurden signifikante und vergleichbare Werte für Energie- und Leistungsdichten von 22,77 W h kg¯¹ bzw. 0,580 kW kg¯¹ ermittelt. Allerdings wies das System nach 250 Betriebszyklen bei Umgebungstemperatur und -druck einen Wert von nahezu 81 % seiner Haltekapazität auf, zeigte jedoch keine Veränderung seiner Flexibilität. Durch die Reihenschaltung von 3 strukturierten Geräten konnte jedoch Energie gespeichert werden, um eine 1,9 V LED Lampe etwa 35 Sekunden lang zu betreiben. Diese Eigenschaften deuten darauf hin, dass der in dieser Arbeit entwickelte Prototyp wünschenswerte Parameter für den Aufbau flexibler Festkörper- und/oder Quasi-Festkörper-Energiespeichersysteme mit einem rückgewinnbaren, formbaren und vielseitigen Elektrolytmedium aufweist, das für die Entwicklung sicherer, zuverlässiger und umweltfreundlicher flexibler Superkondensatoren eingesetzt werden kann.1 recurso online : PDF.application/pdfPolimeros condutoresHidrogelEletrolitosEletrodosQuímicaMontagem de supercapacitores a partir de fibras de grafite e polímeros condutores empregando hidogéis como eletrólitosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - JEAN GUSTAVO DE ANDRADE RUTHES.pdfapplication/pdf11991778https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/80463/1/R%20-%20D%20-%20JEAN%20GUSTAVO%20DE%20ANDRADE%20RUTHES.pdf752b18a31454f89777ba293081a2b151MD51open access1884/804632022-12-13 12:59:23.354open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/80463Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-12-13T15:59:23Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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