Desempenho eletroquímico de eletrodos compósitos baseados em redes metalorgânicas nanomateriais de carbono para aplicação em supercapacitores
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Data
2024-03-08
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Editor
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
Resumo
Existe uma eminente necessidade do uso mais eficiente dos recursos energeticos, diminuindo dessa forma, a dependencia mundial de energia primaria nao renovavel para garantir a sustentabilidade economica e ambiental do planeta. Para isso, e necessario investir na utilizacao de fontes de energia renovavel como a solar, eolica e biocombustiveis. Entretanto, um dos problemas que precisa ser enfrentado e a natureza intermitente dessas fontes com a consequente necessidade de etapas de armazenamento, nivelamento e distribuicao mais eficientes, proporcionando assim, um melhor aproveitamento energetico. Os supercapacitores (SCs) sao dispositivos eletroquimicos de armazenamento de energia que tem se destacado por apresentarem propriedades cumulativas como alta densidade de potencia, baixo peso e alta ciclabilidade. Para maximizar o nicho de aplicacoes, muitas estrategias que visam aumentar sua densidade de energia tem sido desenvolvidas, como por exemplo, a incorporacao de especies ativas redox aos eletrolitos como e o caso do par Ce3+/Ce4+. Alem disso, com a crescente demanda por dispositivos eletronicos miniaturizados, o preparo de eletrolitos polimericos geis, amplia as aplicacoes praticas dos SCs, pois permite a montagem de celulas totalmente solidas, flexiveis e seguras que atendem a essas caracteristicas. A selecao de material do eletrodo tambem e outra importante estrategia para o aumento da densidade de energia. As Redes Metalorganicas, do ingles gMetal Organic Frameworksh (MOFs) sao materiais porosos e altamente ordenados, compostos por ions metalicos conectados por ligantes organicos que tem sido amplamente exploradas como materiais de eletrodo para supercapacitores. A rede metalorganica de Ce-UiO-66 apresenta caracteristicas especiais como alta area superficial, estabilidade termica e atividade redox, o que a torna um material atrativo para supercapacitores. Apesar das MOFs possuirem baixos valores de condutividade eletrica, essa limitacao pode ser superada atraves da preparacao de compositos com materiais condutores tais como nanotubos de carbono de parede multipla (conhecidos como MWCNT, do ingles multi- walled carbon nanotubes) e oxidos de grafeno reduzido (r-GO). Neste trabalho, foram preparados nanocompositos de Ce-UiO-66/MWCNT e Ce-UiO-66/r-GO para aplicacao como eletrodos de supercapacitores usando o eletrolito redox de sulfato de cerio IV. A MOF foi caracterizada termica, espectroscopica, textural e morfologicamente. O foco central da pesquisa foi direcionado a construcao e caracterizacao de um supercapacitor assimetrico hibrido (SCH) de estado solido, destacando suas notaveis propriedades eletroquimicas. Este dispositivo revelou uma expressiva capacitancia de 152,1 F g-1 em uma ampla faixa de potencial de -0,30 a +1,42V, operando sob densidade de corrente de 5 A g-1. Alem disso, apresentou uma baixa resistencia serie equivalente (RSE) de 1 Ħ, evidenciando sua eficiencia. O SCH tambem apresentou uma densidade de energia maxima de 41,8 W h kg-1 a 5 A g-1, juntamente com uma densidade de potencia notavel de 8566 W kg-1 a 25 A g-1. Esses resultados destacam a notavel capacidade do supercapacitor em armazenar e liberar energia de forma rapida e eficiente, alem das eficiencias coulombicas superiores a 94%, enfatizando sua alta capacidade de transferencia de carga. Este estudo oferece perspectivas valiosas para o desenvolvimento e aprimoramento de supercapacitores destinados a aplicacoes avancadas em armazenamento de energia.
Descrição
Palavras-chave
Supercapacitores, Redes metalorgânicas, Nanotubos de carbono, Óxido de grafeno reduzido, Eletrólitos