Produção de nanofibras pelas técnicas de Solution Blow Spinning (SBS) e Supersonic Solution Blowing (SSB) e suas aplicações para conversão e armazenamento de energia

• Autor(a) principal: Silva, Vinícius Dias
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFPB
• Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/26994
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS; Nanofibras de carbono; Baterias de íons de lítio; Hidrogênio verde; Solution Blow Spinning - SBS; Eletrocatálise; Carbon nanofibers; Lithium Ion batteries; Green hydrogen; Electrocatalysis

Uma rápida transição energética para fontes menos poluidoras, como demanda a urgência global, não será impulsionada por uma única tecnologia em particular. É preciso que todas as tecnologias disponíveis evoluam para satisfazer a necessidade de cada demanda do ecossistema energético, isto é, da conversão, armazenamento, e distribuição de energia. Dessa forma, é imprescindível que meios intermitentes de conversão de energia como a eólica e a solar, estejam trabalhando de forma integrada com sistemas de redes avançadas de armazenamento, tais como supercapacitores e baterias. Na outra linha ação, o hidrogênio (H2) verde tem sido considerado como uma das mais promissoras fontes de combustível renovável para atender à crescente demanda global. Entre os métodos de produção do H2 verde, a rota através da eletrólise da água é capaz de produzir H2 de alta pureza e de forma totalmente sustentável. Nesta tese, nós desenvolvemos um estudo utilizando duas técnicas o Solution Blow Spinning (SBS) e o Supersonic Solution Blowing (SSB) na produção de nanofibras para serem aplicadas como materiais de eletrodos na catálise heterogênea e, como eletrodos de dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica (supercapacitores, eletrodos tipo bateria, anodos de íons de lítio). Focando na possível aplicação em larga escala, as razões e os momentos em que as técnicas devem ser aplicadas foram discutidas. Assim como também, foi sintetizado nanofibras à base de materiais abundantes e de baixo custo com boas propriedades eletroquímicas, tais como, carbono e metais de transição, que possam vir a substituir os metais nobres, que encarecem as tecnologias atuais. Como resultados, foi introduzido com sucesso um estudo inédito para à obtenção de nanofibras ocas, e quando aplicado na produção de nanofibras de óxidos à base de Ni/Ce, possibilitou obter eletrodos do tipo-bateria com capacidade superior à de outros trabalhos reportados. E, nanofibras de óxidos de alta entropia produzidas pela primeira vez pela técnica SBS, foram usadas diretamente como eletrocatalisadores, revelando desempenho catalítico global (atividade e estabilidade) aplicáveis. Aqui, foi demonstrado que nanofibras de carbono como suporte para nanopartículas atuares como centros ativos catalítico, é uma estratégia altamente racional para o desenvolvimento de eletrodos autossuportados duráveis, uma vez que impede a desativação e degradação por coalescência. Nanofibras de carbono (micro e mesoporosas) com ultra-alta área superficial acima de 4000 m2/g também foram obtidas, revelando alto desempenho como supercapacitores de dupla camada elétrica. E, foi proposto pela primeira vez na literatura, um coeficiente fundamental de área-diâmetro do eletrodo fibrilar [FEADC, em m2/(g nm)], que unifica os parâmetros diâmetro das nanofibras e área superficial, onde foi argumentado e sugerido que este coeficiente seja implementado na análise de eletrodos de supercapacitores nanofibrosos. Quando essas mesmas nanofibras de ultra-alta área superficial foram aplicadas como anodo para baterias de íons de lítio, apresentaram valores de capacidade superior à teórica do grafite, que é o material de eletrodo usado nas baterias de íons de lítio comerciais. Em suma, a aplicação das técnicas SBS e SSB foram exploradas com sucesso no design de eletrodos nanofibrosos autossuportados para dispositivos de conversão e armazenamento de energia eletroquímica.