Síntese, caracterização e testes eletroquímicos de dióxido de manganês nanométrico como material de eletrodo de supercapacitores

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Zutim, Paulo
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/10645
Resumo: Manganese dioxide was synthesized by a microwave-hydrothermal method using alternative, unprecedented and completely soluble reagents. For such, potassium permanganate and acetone were dissolved in different proportions (4:1,5; 4:3; 4:4 and 4:7,) and treated in a microwave reactor, under magnetic stirring, at different temperatures (100, 140 and 160 °C), synthesis times (1, 3, 5 and 10 min) and porcentage of the vessel volume occupied by the reactional mixture (60 and 80%). The obtained materials have been characterized by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopies, electron diffraction, thermogravimetry, determination of specific area, cyclic voltammetry, and charge and discharge at constant current. The X-ray diffractogramms of the evaluated materials were associated with the JCPDS card number 421317 for MnO2 phase potassium birnessita. The synthesized materials also presented, according to others characterization analyses, nanosized particles (with hierarchical structure), presence of adsorbed and crystalline water and a specific area of 108 m2 g–1, being desirable features for electrode materials of supercapacitors. In order to improve the reproducibility of specific capacitance (c) values the electrodes preparation methodology was also studied. The best results were obtained for electrodes containing 75% MnO2, 20% acetylene black and 5% PVDF confectioned by the methodology of dropping followed by spinning and using a acetylene black of lower average particle size. The product of the synthesis performed at 100 °C over 10 min with the reactional vessel filled with 60% of its total capacity presented the best results as active material for supercapacitor electrode, with a c value of (17 ± 1) x 101 F g–1 (0,2 g–1 ) and a charge retention of 81 % after 5000 charge and discharge cycles at 1 A g–1.
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For such, potassium permanganate and acetone were dissolved in different proportions (4:1,5; 4:3; 4:4 and 4:7,) and treated in a microwave reactor, under magnetic stirring, at different temperatures (100, 140 and 160 °C), synthesis times (1, 3, 5 and 10 min) and porcentage of the vessel volume occupied by the reactional mixture (60 and 80%). The obtained materials have been characterized by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopies, electron diffraction, thermogravimetry, determination of specific area, cyclic voltammetry, and charge and discharge at constant current. The X-ray diffractogramms of the evaluated materials were associated with the JCPDS card number 421317 for MnO2 phase potassium birnessita. The synthesized materials also presented, according to others characterization analyses, nanosized particles (with hierarchical structure), presence of adsorbed and crystalline water and a specific area of 108 m2 g–1, being desirable features for electrode materials of supercapacitors. In order to improve the reproducibility of specific capacitance (c) values the electrodes preparation methodology was also studied. The best results were obtained for electrodes containing 75% MnO2, 20% acetylene black and 5% PVDF confectioned by the methodology of dropping followed by spinning and using a acetylene black of lower average particle size. The product of the synthesis performed at 100 °C over 10 min with the reactional vessel filled with 60% of its total capacity presented the best results as active material for supercapacitor electrode, with a c value of (17 ± 1) x 101 F g–1 (0,2 g–1 ) and a charge retention of 81 % after 5000 charge and discharge cycles at 1 A g–1.Dióxido de manganês foi sintetizado pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas utilizando-se reagentes alternativos, inéditos na literatura e totalmente solúveis. Para tal, permanganato de potássio e acetona foram dissolvidos em diferentes proporções (4:1,5; 4:3; 4:4 e 4:7,5) e tratados em um reator de micro-ondas, sob agitação magnética, em diferentes temperaturas (100, 140 e 160 °C), tempos de síntese (1, 3, 5 e 10 min) e porcentagem do volume do frasco reacional ocupado pela mistura reacional (60 e 80%). Os materiais obtidos foram caracterizados por difração de raios X, microscopias eletrônicas de varredura e transmissão, difração de elétrons, termogravimetria, determinação de área específica, voltametria cíclica e carregamento e descarregamento a corrente constante. Os difratogramas de raios X dos materiais analisados foram associados com a ficha JCPDS 421317 para MnO2 fase birnessita de potássio. Os materiais sintetizados apresentaram também, de acordo com outras análises de caracterizações, partículas de tamanho nanométrico (com estrutura hierárquica), presença de água adsorvida e cristalina e uma área específica de 108 m2 g–1, sendo características desejáveis para materiais de eletrodo de supercapacitores. A fim de se melhorar a reprodutibilidade dos valores de capacitância específica (c), a metodologia de preparação dos eletrodos também foi estudada. Os melhores resultados foram obtidos para eletrodos contendo 75% de MnO2, 20% de negro de acetileno e 5% de PVDF preparados pela metodologia de gotejamento seguido de rotação e utilizando um negro de acetileno de menor tamanho médio de partículas. O produto da síntese realizada a 100 °C durante 10 min e com o frasco reacional preenchido com 60% de sua capacidade total apresentou os melhores resultados como material ativo para eletrodo de supercapacitor, com um valor de c igual a (17 ± 1) x 101 F g–1 (0,2 A g–1) e uma retenção de carga de 81% após 5000 ciclos de carregamento e descarregamento a 1 A g–1.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)CNPq: 134974/2016-6porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQUFSCarQuímicaEletroquímicaFísico-químicaSupercapacitoresDióxido de ManganêsChemistryPhysicochemicalSupercapacitorsManganese dioxideCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICASíntese, caracterização e testes eletroquímicos de dióxido de manganês nanométrico como material de eletrodo de supercapacitoresSynthesis, characterization and electrochemical tests of nanometer manganese dioxide as supercapacitors electrode materialinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisOnline600600372dc9cb-3636-4983-999d-2dc205d64ffbinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALdissertacao_paulozutim_final.pdfdissertacao_paulozutim_final.pdfapplication/pdf6266990https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/10645/1/dissertacao_paulozutim_final.pdffbb127e13ff3b2bad8949ca234b63f8cMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81957https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/10645/3/license.txtae0398b6f8b235e40ad82cba6c50031dMD53TEXTdissertacao_paulozutim_final.pdf.txtdissertacao_paulozutim_final.pdf.txtExtracted texttext/plain186134https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/10645/4/dissertacao_paulozutim_final.pdf.txt406260fded735ba07f826ab95bdbc355MD54THUMBNAILdissertacao_paulozutim_final.pdf.jpgdissertacao_paulozutim_final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg9343https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/10645/5/dissertacao_paulozutim_final.pdf.jpg8b1b06f330307dee522185cd78bfd425MD55ufscar/106452023-09-18 18:31:17.671oai:repositorio.ufscar.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:31:17Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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