Estudo eletroquímico de filmes finos de híbridos de polímeros conjugados e nanotubos de carbono para aplicação em dispositivos de armazenamento de energia

• Autor(a) principal: Glenda Ribeiro de Barros Silveira Lacerda
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/33977; https://orcid.org/0000-0002-8460-4893
• topic: Híbridos; Eletroquímica; Polímeros conjugados; Supercapacitor; Pseudocapacitância; Físico-química; Filmes Finos; Propriedades elétricas; Nanotubos de carbono; Eletroquímica; Polímeros conjugados; Energia - Armazenamento; Filtros elétricos de resistência-capacitância

Este trabalho apresenta a síntese e caracterização de híbridos de nanotubos de carbono (NTC) ligados covalentemente a copolímeros conjugados formados por 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT) e derivados de pirrol (pirrol - Py, metilpirrol - MPy e 3-(pirrol-1-metil)piridina - PyMP). Os NTCs foram funcionalizados em três etapas, que consistiu na oxidação inicial com ácido sulfúrico e ácido nítrico concentrado (3:1 v/v), seguido por um processo de amidação (1,3-diaminopropano - DAP ou tetraetilenopentamina - TEPA) e adição da unidade monomérica via ácido tiofeno carboxílico (ATC). Posteriormente, a copolimerização foi usada para a formação de seis novos híbridos: NTC-TEPA-ATC-P(EDOT-co-Py) (H1), NTC-TEPA-ATC-P(EDOT-co-MPy) (H2), NTC-TEPA-ATC-P(EDOT-co-PyMP) (H3), NTC-DAP-ATC-P(EDOT-co-Py) (H4), NTC-DAP-ATC-P(EDOT-co-MPy) (H5) e NTC-DAP-ATC-P(EDOT-co-PyMP) (H6). Todos os híbridos foram caracterizados por técnicas espectroscópicas (Infravermelho - IV, Raman e Espectroscopia de Fotoelétrons por Raios-X - XPS), térmicas (Termogravimetria - TG) e morfológicas (Microscopia Eletrônica de Transmissão - MET). As técnicas utilizadas confirmaram a cobertura do material polimérico ao longo da NTC e sua composição polimérica de aproximadamente 45% em massa no híbrido, correspondendo à formação molar de 1:1 NTC:copolímeros conjugados. Os estudos de comportamento eletroquímico e elétrico de todos os híbridos foram realizados, indicando sua potencial aplicação como material de eletrodo em supercapacitores (SCs), com seus resultados de condutividade elétrica até sessenta vezes maiores que o copolímero correspondente. A confecção dos dispositivos (SCs) completos permitiu analisar a versatilidade dos materiais em diferentes meios eletrolíticos (acetonitrila e água), a partir de um estudo com o híbrido H3. As capacitâncias das células simétricas obtidas para os SCs baseados em H3 foram 56% e 115% superior ao das células preparadas com o NTC não modificado em meio orgânico e aquoso, respectivamente. As células completas também exibiram excelente ciclabilidade com 81,3% (aquoso) e 77,5% (orgânico) de retenção de capacitância após 5000 ciclos. Outro estudo realizado partiu da comparação dos híbridos (H5 e H6) com seus materiais precursores utilizando solução aquosa de LiClO4 como eletrólito. Os híbridos H5 (109,4 F g-1) e H6 (139,6 F g-1) sintetizados apresentaram uma melhora nos valores de capacitância em comparação com o sistema de NTC puro (60,9 F g-1) e com os copolímeros de origem (69,2 F g-1 para P(EDOT-co-MPy) e 64,9 F g-1 para o P(EDOT-co-PyMP)). A boa retenção de capacitância em função da corrente aplicada nas células também foi melhorada como resultado de um aprimoramento na transferência de carga nos híbridos. Os dispositivos apresentaram alto desempenho com excelente estabilidade de ciclagem, em comparação com a baixa ciclabilidade dos copolímeros conjugados, mesmo após 20000 ciclos. As propriedades dos dispositivos indicam a viabilidade da abordagem sintética usada, mostrando que os híbridos preparados são materiais promissores para uso em supercapacitores altamente cicláveis.