Compósitos entre fósforo negro e polianilina : síntese, caracterização e aplicação

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fonsaca, Jéssica Eliza Silva, 1991-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/72764
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Aldo J. G. Zarbin
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spelling Fonsaca, Jéssica Eliza Silva, 1991-Orth, Elisa SouzaUniversidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em QuímicaZarbin, Aldo José Gorgatti, 1968-2021-12-14T20:03:10Z2021-12-14T20:03:10Z2020https://hdl.handle.net/1884/72764Orientador: Prof. Dr. Aldo J. G. ZarbinCoorientadora: Prof.a Dr.a Elisa S. OrthTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 19/02/2020Inclui referências: p. 129-146Área de concentração: Química InorgânicaResumo: O fósforo negro (BP, do inglês black phosphorus) é um material versátil e promissor para as mais diversas áreas, com destaque para a de energia (i.e. eletrodos de baterias). Sua elevada instabilidade quando exposto a condições ambientes, entretanto, acaba limitando severamente sua manipulação e consequente aplicação. Nesse trabalho, apresentamos um estudo sistemático realizado para obtenção de materiais estáveis baseados em BP através da síntese de compósitos com polianilina (PANI). Os filmes finos de BP-PANI foram sintetizados pelo método interfacial líquido/líquido (L/L), que se baseou inicialmente na polimerização da anilina em uma dispersão desaerada de BP (em acetonitrila). Para isso, o BP foi esfoliado em banho de ultrassom através de diferentes metodologias, levando à obtenção de quatro compósitos, obtidos autossustentados diretamente na interface L/L (solução ácida/tolueno) após uma etapa de troca de solventes. A caracterização desses materiais mostrou que o BP auxilia na prevenção da reticulação das cadeias da PANI, tornando os compósitos, em geral, mais polarônicos (i.e. condutores). Em seguida, os filmes foram expostos a condições ambientes e monitorados por técnicas espectro e microscópicas. Os resultados mostraram que o início da degradação do BP desprotegido se deu com apenas 3 dias, enquanto que, quando na presença de PANI, os indícios de degradação ocorreram após 60 dias para o melhor compósito, indicando um aumento de quase 1500% na estabilidade do material. Após atestar a efetiva proteção do BP pela PANI, os materiais foram avaliados com relação à sua resposta e estabilidade eletroquímica, visando investigar suas propriedades de armazenamento de energia. Nesse caso, a avaliação foi realizada tanto sob atmosfera inerte (fluxo de N2(g)) quanto em condições ambientes. Todos os materiais foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia Raman antes e após o estudo. Os resultados mostraram o mesmo comportamento para os filmes BP-PANI na presença e na ausência da purga de N2(g), evidenciando a integridade do material quando recoberto pelo polímero. Voltametrias cíclicas e medidas de carga e descarga (CD) foram conduzidas em NaCl, com o objetivo de atestar a possibilidade do uso dos compósitos como eletrodos de baterias aquosas de Na+. A preservação do BP foi atestada no filme de BP-PANI mesmo após 200 ciclos voltamétricos. O BP isolado, entretanto, foi degradado logo após o primeiro ciclo voltamétrico, evidenciando a baixa estabilidade química e eletroquímica do material. As curvas de CD mostraram elevados valores de capacidade específica, atingindo cerca de 200 mA h g-1, e alta estabilidade, com uma eficiência coulômbica de 100%. Considerando-se que esses resultados foram obtidos a partir da exposição do BP aos ambientes mais nocivos à sua integridade (água com O2(g) dissolvido), esse trabalho mostra-se ainda mais relevante. Dessa forma, apresentamos estratégias eficientes para aumentar a estabilidade do BP e atestamos a possibilidade de superar os limites envolvendo as suas reais aplicações.Abstract: Black phosphorus (BP) is a versatile and promising material in several areas, especially in the energy field (i.e. electrodes for batteries). Its high instability when exposed to ambient conditions, however, severely limits its manipulation and further application. In this work, we present a systematic study performed in order to obtain stable BP-based materials through the synthesis of composites with polyaniline (PANI). Thin films of BP-PANI were synthesized through the interfacial liquid/liquid (L/L) method, initially based on the aniline polymerization in a deaerated dispersion of BP (in acetonitrile). For this purpose, BP was exfoliated in ultrasound bath through different methodologies, leading to four composites, obtained self-sustaining directly at the L/L interface (acid solution/toluene) after a step of solvent exchange. The characterization of these materials showed that BP assists to prevent crosslinking of PANI chains, generally, leading to more polaronic composites (i.e. conductive). In the following, the films were exposed to ambient conditions and monitored through spectro and microscopic techniques. Results showed that the unprotected BP started to degrade within 3 days, while when in the presence of PANI, degradation evidences started after 60 days of exposition to the best composite, indicating an increase of up to 1500% in the material stability. After attesting the effective protection of BP by PANI, materials were evaluated regarding their electrochemical response and stability, aiming to investigate storage energy properties. In this case, the evaluation was performed both under inert atmosphere (N2(g) flow) and ambient conditions. All materials were characterized by scanning electron microscopy and Raman spectroscopy before and after the studies. Results displayed the same behaviour for BP-PANI films in the presence and the absence of N2(g) purge, evidencing the integrity of covered BP. Cyclic voltammetry and charge-discharge (CD) measurements were carried out in NaCl, targeting employing the composites as electrodes for Na+ aqueous batteries. BP preservation was attested in the BP-PANI film even after 200 voltammetric cycles. Bare BP, however, degraded soon after the first cycle, evidencing its low chemical and electrochemical stability. CD curves showed high values of specific capacity, reaching up to 200 mA h g-1, and great stability, with a coulombic efficiency of 100%. Considering that these results were obtained when exposing BP to its most harmful environments (oxygenated water), this work shows to be even more relevant. In this sense, we presented efficient strategies to increase BP stability and certified the possibility of overcoming the limits regarding its real applications.1 arquivo (150 p.) : PDF.application/pdfFosforoPolianilinaFilmes finosQuímicaCompósitos entre fósforo negro e polianilina : síntese, caracterização e aplicaçãoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - JESSICA ELIZA SILVA FONSACA.pdfapplication/pdf26107698https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/72764/1/R%20-%20T%20-%20JESSICA%20ELIZA%20SILVA%20FONSACA.pdf042706daed9abf4e2960f65c1ca90bb2MD51open access1884/727642021-12-14 17:03:11.009open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/72764Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082021-12-14T20:03:11Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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