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Leandro Marques Samyn (Defesa)

Última atualização em Quarta, 19 de Maio de 2021, 18h44 | Acessos: 1020

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

COORDENADORIA DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM INSTRUMENTAÇÃO E ÓPTICA APLICADA

 

A Coordenadoria do Programa de Pós-Graduação em Instrumentação e Óptica Aplicada tem a satisfação de convidá-lo para assistir à

D E F E S A  D E  T E S E

 

COM O TÍTULO:

“SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS FUNCIONAIS EM ELETRODOS DE FIBRA DE CARBONO ALTAMENTE FLEXÍVEIS E SUAS APLICAÇÕES EM SUPERCAPACITORES”

Por

LEANDRO MARQUES SAMYN

 

Resumo

 

A crescente demanda por energia em dispositivos portáteis e a necessidade latente de mudança na atual matriz energética, através da adoção de fontes de energia alternativas e renováveis, fizeram crescer nos últimos anos a busca por dispositivos mais eficientes para armazenamento da energia produzida. Pesquisas recentes por dispositivos com capacidade de armazenamento superior e tempo de carregamento cada vez menor têm levado aos novos modelos de supercapacitores. Possibilitar o desenvolvimento dessas tecnologias e, de maneira simultânea, reduzir os impactos ambientais provocados pelo descarte inadequado de produtos utilizados em processos industriais, como os corantes orgânicos que são alguns dos responsáveis pela contaminação de cursos hídricos, representa não apenas um avanço tecnológico de grande importância como uma grande contribuição para um desenvolvimento sustentável. Nesta tese, materiais funcionais como: parafenilenodiamina, azul de metileno e hexacianoferratos de níquel e de cobre, foram aplicados como revestimento em fibras de carbono altamente flexíveis e cuidadosamente analisados para avaliar seu desempenho eletroquímico como catodos aplicáveis a supercapacitores. Um supercapacitor é, basicamente, constituído por dois eletrodos (anodo e catodo) que podem ou não serem revestidos, um separador que isola eletricamente os eletrodos e um eletrólito portador de cargas. A utilização de eletrodos de fibras de carbono poderá garantir aos supercapacitores alta flexibilidade, boa resistência mecânica, baixa resistência elétrica e baixo custo e o revestimento desses eletrodos com materiais funcionais tenderá a aumentar a capacidade/capacitância equivalente. A morfologia altamente porosa combinada à característica eletroativa dos materiais funcionais utilizados no revestimento, resultou em uma elevada capacidade/capacitância total dos eletrodos formada pela soma de duas formas de armazenamento de energia: capacitância de dupla camada elétrica (EDLC), ao facilitar o acesso e, consequentemente o acúmulo, dos íons nos poros dos eletrodos e pseudocapacitância, ao possibilitar a troca de cargas entre a área eletroquimicamente ativa do eletrodo e o eletrólito. Durante o desenvolvimento desse trabalho, foram produzidos eletrodos flexíveis revestidos com: anilina, anilina com persulfato de amônia, azul brilhante de cresyl, anilina e azul brilhante de cresyl, azul de bromofenol, azul de metileno, parafenilenodiamina, hexacianoferratos de níquel, hexacianoferratos de cobre e uma camada dupla formada por óxidos de cobre e cobalto. Os eletrodos desenvolvidos foram além do escopo da tese e tiveram como objetivo a aprendizagem das técnicas de deposição, da síntese dos revestimento, da preparação dos eletrodos para aplicação dos revestimentos e das técnicas e ferramentas de caracterização. Embora as técnicas de eletrodeposição e deposição mecânica tenham sido as escolhidas para a preparação dos eletrodos, a deposição por banho químico também foi utilizada e descrita nesse trabalho por razões de aprendizagem e aperfeiçoamento. Os eletrólitos aquosos foram escolhidos com base em revisões da literatura, ensaios experimentais preliminares e pela preferência na utilização de eletrólitos de mais fácil sintetização e menor custo. No processo de eletropolimerização do azul de metilano (MB) e da parafenilenodiamina (pPD) foi verificado que o sulfato de sódio (N a2SO4) resultou na maior taxa de deposição, quando comparado com a deposição em ácido sulfúrico (H2SO4). Entretanto, nas caracterizações eletroquímicas dos eletrodos revestidos com MB e pPD, o eletrólito de H2SO4 apresentou os melhores resultados com capacidades específicas acima dos 100 C/g. As caracterizações morfológicas e estruturais dos eletrodos foram realizadas com as técnicas de espectroscopia por transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FESEM) e espectroscopia de raio-X por dispersão energia (EDS). Outras caracterizações como a difratrometria por raios X (XRD) e espectrofotometria no ultravioleta visível (UV-vis) também foram realizadas. As caracterizações eletroquímicas dos eletrodos foram realizadas utilizando-se a topologia a três eletrodos, o que permitiu a obtenção de resultados individuais dos eletrodos e o conhecimento de suas características específicas. Foi realizada também uma caracterização a dois eletrodos (célula completa) com um eletrodo de óxidos de cobre e cobalto e um eletrodo de nano-fibras de carbono polimérico reticulado com a finalidade de aprendizagem da técnica de caracterização e montagem de um supercapacitor assimétrico completo. Todas as partes integrantes do supercapacitor foram desenvolvidas nas instalações do Laboratório de Física Experimental e Aplicada do CEFET/RJ (LaFEA - CEFET/RJ). Os resultados das análises eletroquímicas, bem como a composição do eletrólito e o desempenho do supercapacitor foram discutidos nessa tese. Com esse trabalho, conclui-se que o desenvolvimento de eletrodos altamente flexíveis, baratos e de fácil sintetização foram bem sucedidos e que a deposição de azul de metileno, parafenilenodiamina e hexacianoferratos de metais é possível em eletrodos de fibras de carbono, abrindo a possibilidade de utilização desses materiais funcionais no processo de substituição, dopagem ou na formação de dupla camada com os materiais usualmente utilizados em supercapacitores, como hexacianoferratos, óxidos metálicos, anilina, entre outros materiais funcionais ou polímeros, permitindo um aumento na capacitância/capacidade dos dispositivos e um avanço no desenvolvimento de eletrodos aplicados a supercapacitores em trabalhos futuros.

 

Palavras-chave: Supercapacitores, materiais funcionais, armazenadores de energia, corantes orgânicos, eletrodeposição

 

Banca Examinadora composta pelos Doutores:

 

 

Ana Lucia Ferreira de Barros, Orientador(a) Diego Barreto Haddad (MEI), CEFET/RJ
Suresh Babu Rajendran (PÓS-DOC), CEFET/RJ Antonio Petraglia (MEP), UFRJ
Lilian Pantoja Sosman, UERJ
Mariane Rembold Petraglia (MEP), UFRJ

Local e data:

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