• Rio de Janeiro Brasil
  • 14-18 Novembro 2022

ESTUDO DE NOVOS MATERIAIS PARA OTIMIZAÇÃO DE ELETRODOS PARA SUPERCAPACITORES

Autores

Rezende, I.H.W.S. (INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA) ; Borges, L.E.P. (INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA) ; Pereira, R.P. (INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA)

Resumo

O presente trabalho descreve a síntese e caracterização do óxido de molibdênio (MoO3), óxido de bismuto (Bi2O3), polianilina e do grafite, com particular interesse em sua implementação em eletrodos para supercapacitores (SC). As amostras foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV); espectro vibracional no infravermelho (FTIR); difratometria de raios-X e, voltametria cíclica, as quais permitiram a avaliação desses materiais para posterior implementação em SC’s. Nesse contexto, o presente trabalho estuda a relação entre a estrutura de nanopartículas, a matriz porosa à base de carbono e o polímero condutor.

Palavras chaves

Supercapacitor; MEV; FTIR

Introdução

O supercapacitor (SC) é uma promissora tecnologia de conversão e armazenamento de energia que combina alta potência específica de um capacitor com alta energia específica de uma bateria (RAZA et al., 2018). Sabe-se que sua eficiência está ligada ao material que o compõe, pois isso influencia diretamente na área superficial, na condutividade e na resistência geral do dispositivo. Portanto, é de grande interesse o desenvolvimento de materiais que combinem alta capacitância, vida útil longa e rápida cinética de carga e descarga com baixo custo do material (PARNELL et al., 2019). Diversos estudos demostram que combinações de óxidos metálicos, matrizes porosas à base de carbono e polímeros condutores podem aumentar o desempenho de um SC (OCA et al., 2019). Estes materiais possuem propriedades interessantes, tais como diferentes estados de oxidação, baixa toxicidade, alta potência, alta capacitância, aumento da eficiência no armazenamento de carga e longo ciclo de vida (ZHANG et al., 2019). Além disso, tendem melhorar o sistema quando implementados simultaneamente; uma vez que cada componente implementado consegue manter inalterada sua natureza química, estrutura cristalina, propriedades físicas e eletroquímicas (DUBAL et al., 2015). As vantagens do SC são: maior segurança, ausência de requisitos de refrigeração, alta tensão e capacitância. Além disso, possuem alta densidade de energia, menor resistência interna e ampla faixa de temperatura de trabalho (MOMBESHORA & NYAMORI, 2015). Porém as que chamam mais atenção são: capacidade de armazenamento rápido, e, maior estabilidade cíclica (RAZA et al., 2018). A utilização de óxidos metálicos nesse dispositivo está sendo cada vez mais utilizada já que podem apresentar vários estados de oxidação, e por isso, diversas estruturas que contribuem diretamente para o armazenamento de carga e possuem reações de óxido-redução rápidas e eficientes (MARANDI et al., 2016). Diante do exposto, foram escolhidos como óxidos metálicos precursores o óxido de molibdênio e o óxido de bismuto, uma vez que as nanopartículas provenientes desses óxidos conseguem atuar como “fios eletrônicos” resultando em uma melhora na transferência de elétrons entre os centros ativos e os eletrodos. Apresentar essa característica influencia no aumento das reações eletroquímicas e consequentemente influencia na otimização da capacitância do dispositivo (IRO et al., 2016; e, MARANDI et al., 2016). Quando esses óxidos estão em escala nanométrica sabe-se que eles alteram as propriedades do material em que for implementado. Por isso, conseguir controlar a termodinâmica das nanopartículas é de grande interesse já que assim se torna possível controlar as propriedades do material final (CHOUDHARY et al., 2017). Já os materiais à base de carbono estão sendo cada vez mais utilizados em SC’s já que possuem alta condutividade elétrica, estabilidade química e mecânica (DASARI et al., 2017; e, LAWAL, 2016). Os nanomateriais à base de carbono possuem propriedades mecânicas e elétricas notáveis, alta relação superfície- volume, baixa resistência à transferência de elétrons e alta condutividade térmica, o que os tornam otimizados para aplicação em diversas áreas (LAWAL, 2016). Nos SC’s, a sua implementação juntamente com óxidos metálicos e/ou polímeros intrinsicamente condutores podem proporcionar melhoras em sua atividade eletroquímica e em sua vida útil, além de uma possível redução de custos na fabricação desses sistemas (ZHANG et al., 2017). Os polímeros compõem uma classe de macromoléculas diversificada e com propriedades que variam em uma ampla faixa, dependendo da estrutura molecular. Qualquer pequena alteração, como alternância entre as ligações simples e duplas ao longo da cadeia, pode ser crucial para alterar suas propriedades, fazendo que sua implementação se torne cada vez mais ampla (NAZARZADEH et al., 2020). Além disso, apresentam propriedades como: flexibilidade, resistência a impacto, baixa densidade e baixa temperatura de processamento (ABOUTORABI & MORSALI, 2016). Polímeros derivados de monômeros como pirrol, anilina e tiofeno possuem propriedades otimizadas quando comparados a outros polímeros, como boa estabilidade ambiental, eletroatividade e química favorável em relação a dopagem e desdopagem. Esses polímeros possuem vantagem em relação a outros materiais à base de carbono, por conseguirem se adaptar em processos que possuem oxidação e redução (THAKUR & CHOUDHARY, 2016). O critério principal na escolha de polímeros condutores, para a maior parte das aplicações tecnológicas, é a capacidade com que esse polímero consegue oxidar ou reduzir. Aqueles com baixo potencial de oxidação apresentam facilidade de remoção ou adição de elétrons π formando inicialmente íons poliméricos com estabilidade suficiente para formarem as macromoléculas (JHA et al., 2018).

Material e métodos

Os óxidos (molibdênio (MoO3) e bismuto (Bi2O3)) foram sintetizados por três métodos: agitação e controle de temperatura em solução; banho de ultrassom e ponteira de ultrassom, com temperatura de secagem a 100°C. Na síntese convencional do MoO3 foram dissolvidos molibdato de amônio em água destilada sob agitação. A esta solução, adicionou-se ácido nítrico concentrado. A temperatura da solução foi controlada, desde temperatura ambiente até 80°C, quando se observou um aspecto leitoso. O sistema foi mantido nestas condições durante 80min. O precipitado obtido foi filtrado e lavado várias vezes com água destilada e álcool etílico e seco a 40°C por 30h. Já na síntese sob banho de ultrassom e sob a ponteira de ultrassom, foi projetado um procedimento em duas etapas: (a)empregou-se o mesmo procedimento da síntese convencional até a observação do aspecto leitoso da solução; (b)imediatamente, transferiu-se o balão para o banho de ultrassom ou para a ponteira de ultrassom e foi mantido no sistema a 60°C durante 80min. O precipitado obtido foi lavado com água destilada e álcool etílico e seco a 40°C por 30h. Na síntese convencional do Bi2O3 foram adicionados nitrato de bismuto em ácido nítrico a 0,05M sob agitação, observando-se sua imediata dissolução. A esta solução, foram adicionados hidróxido de sódio a 4mol/L. A temperatura da solução foi controlada, desde temperatura ambiente até 40°C, quando da observação de um aspecto leitoso. O sistema foi mantido nestas condições durante 20min. O precipitado obtido foi filtrado e lavado várias vezes com água destilada até que o pH alcançasse a neutralidade (pH=7). O precipitado obtido foi seco a 40°C por 30h. Na síntese sob banho de ultrassom e ponteira de ultrassom dissolveu-se o nitrato de bismuto em meio ácido, seguida da adição da base, nas mesmas proporções utilizadas na síntese convencional, em um balão de fundo redondo e esse imerso diretamente no banho de ultrassom ou na ponteira de ultrassom. O sistema foi mantido no banho de ultrassom durante 60min e na ponteira de ultrassom por 8min. O precipitado obtido foi filtrado e lavado várias vezes com água destilada até que o pH alcançasse a neutralidade (pH=7). O precipitado foi seco a 40°C por 30h. Como matriz à base de carbono foi utilizado o grafite e ele foi adquirido comercialmente da fabricante Merck. Como polímero intrinsicamente condutor foi utilizado a polianilina e esta foi sintetizada através da metodologia in situ descrita a seguir: colocou-se em um balão de fundo chato 0,75g de peroxidissulfato de amônio e 100mL de uma solução de ácido p-toluenossulfônico a 0,1mol/L. Em seguida, colocou-se o balão no banho de ultrassom por 30min. Depois, colocou-se o balão em banho de gelo sob agitação e adicionou-se, gota a gota, 0,3mL do monômero anilina, deixando agitar por 24h. Após o término da agitação, centrifugou-se a mistura resultante e em seguida lavou-se o precipitado 3 vezes com água destilada. Após a lavagem, foi seco em estufa a 60°C por 18h.

Resultado e discussão

Microscopia Eletrônica de Varredura Na Figura 1(a) encontra-se a imagem MEV representativa das amostras de óxido de molibdênio, as quais estão associadas a morfologia hexagonal do óxido (հ-MoO3). A estrutura em forma de haste que estão dispostas nas imagens apresentadas são geralmente referenciadas na literatura como rods (YAN et al., 2015; e, KUMAR et al., 2016). A partir dessa figura, pode-se observar que a homogeneidade morfológica dos rods não é alterado com a mudança do método de síntese. Isto concorda com o estudo por DRX apresentado no presente trabalho e com referências da literatura (WERNECK et al., 2018; e, WANG et al., 2016). Na Figura 1(b) encontra-se a imagem MEV representativa das amostras de óxido de bismuto (Bi2O3), com estrutura em formato de fios que são geralmente referenciados na literatura como nanowires. A partir dessa imagem, pode-se observar que não há alterações na homogeneidade morfológica dos wires formados mesmo utilizando diferentes métodos de síntese (GUO et al., 2015, e; RAZA et al., 2015). Na Figura 1(c) temos a imagem MEV do grafite que exibe partículas com estrutura lamelar (plaquetas) e variados tamanhos. É possível observar a estrutura compacta das partículas de grafite e sinais do arranjo em camadas (WANG et al., 2020; e, RADOUANE et al., 2020) Na Figura 1(d) é possível verificar na imagem MEV que a amostra de PANI é formada por partículas granuladas aleatórias, com caráter globular, característica da morfologia desse polímero. Além disso, nota-se que a PANI possui estruturas opacas (JHA et al., 2018; e, VEERASUBRAMANI et al., 2016); confirmando as observações feitas no DRX que sua estrutura cristalina é amorfa. Espectro vibracional do infravermelho Na Figura 2(a) encontra-se o espectro vibracional no infravermelho representativos das amostras de óxido de molibdênio. É possível notar que todas as amostras sintetizadas apresentam bandas entre de 1000 e 500 cm-1 que caracterizam o óxido de molibdênio com sua estrutura hexagonal (CHITHAMBARARAJ et al., 2013; e, LIU et al., 2015). Essas bandas são atribuídas ao modo de alongamento e flexão do Mo-O-Mo com diferentes comprimentos de ligação entre Mo– O (CHITHAMBARARAJ & BOSE, 2011; e, CHEN et al., 2010). As bandas com número de onda em 1400 e 3150 cm-1 estão associadas a vibração de alongamento e flexão do grupo O-H da água coordenada presente na amostra (LIU et al., 2015; e, WANG et al., 2012). Já as bandas em 1600 e 3500 cm-1 são atribuídas às vibrações de flexão e estiramento de O-H presentes nas moléculas de água adsorvidas na amostra (WERNECK et al., 2018; e, HU et al., 2015). Na Figura 2(b) encontra-se o espectro vibracional no infravermelho representativos das amostras de óxido de bismuto. É possível perceber que todas as amostras sintetizadas, independentemente da síntese, apresentam bandas em torno de 1400 cm-1 que evidenciam a formação do óxido de bismuto, atribuídas as vibrações de ligação Bi-O-Bi. Além de todos os espectros vibracionais gerados para o óxido de bismuto serem bastante semelhantes entre si (DOWEIDAR & SADDEEK, 2009). As bandas que ocorrem por volta de 840 cm-1 são atribuídas as vibrações de alongamento do bismuto com o oxigênio (Bi-O) (KHARLAMOV et al., 1996). É possível notar que todas as amostras sintetizadas não apresentaram bandas significativas acima de 2500 cm-1 o que sugere a ausência de grupos OH na molécula sintetizada confirmando assim a total conversão para óxido de bismuto (PASCUTA & CULEA, 2008). Na Figura 2(c) encontra-se o espectro vibracional no infravermelho representativo da amostra de grafite. Através do espectro acima, é possível perceber as três bandas características do grafite em 1600; 1500 e 870 cm-1. As bandas em 1600 e 870 cm-1 correspondem a vibração de deformação das ligações C- C. E a banda em 1500 cm-1 corresponde à forte vibração C=C de ligações sp2 presente no grafite. Em geral, os picos de FTIR identificados no espectro acima estão de acordo com aqueles relatados na literatura (RAJEEVAN et al., 2021; e, TRUSOVA et al., 2021). A Figura 2(d) encontra-se o espectro vibracional da polianilina pura com bandas em 1550, 1340, 1190, 830 e 690 cm-1. A banda em 1550 cm-1 corresponde a vibração C=C dos anéis quinoide e benzênico. A banda em 1340 cm-1 é atribuída a vibração de estiramento C-N da amina aromática secundária (GABAL et al., 2016; LUO et al., 2016; e, KARTHIK & MEENAKSHI, 2015). A banda em 1190 cm-1 corresponde a vibração C=N, no qual pode ser atribuída a condutividade elétrica da PANI. A banda em 830 cm-1 reflete o modo de flexão do C-H no anel aromático. E por último, a banda 690 cm-1 corresponde a vibração C=C (YAN et al., 2015; VEERASUBRAMANI et al., 2016; e, ZHA et al., 2015). Difratograma de raios-X Nos difratogramas de raios-X representativos das amostras de óxido de molibdênio, observou-se os picos de difração característicos na faixa angular (2θ) em ~10°; ~17°; ~20°; e, ~26° correspondentes aos planos de cristalinos (100); (110); (200); e, (101) respectivamente, com ficha JCPDF n° 35-0609 (WERNECK et al., 2018; e, KAUSAR et al., 2021). Já nos difratogramas de raios-X das amostras do óxido de bismuto observou-se os picos de difração característicos na faixa angular (2θ) em ~24°; ~26°; ~27,5°; ~30,5°; ~33,5°; e, ~46,5° correspondentes aos planos de cristalinos (002); (120); (012); (121); (112) e, (040) respectivamente, com ficha JCPDF n° 76-1730 (AHILA et al., 2016). De acordo com a literatura o grafite possui dois picos de difração característicos na faixa angular (2θ) em ~26,7°, e, ~54,9° que correspondem aos planos cristalinos (002) e (004) com ficha JCPDF n° 25-0284 (ALBETRAN, 2020; AIN et al., 2019; e, BERA et al., 2018), como foi observado no difratograma obtido. De acordo com a literatura, a PANI possui quatro picos em 15,5°; 19,2°; 25,5°; e, 29,2°. No difratograma obtido, observou-se um amplo pico em 25,5° corresponde a PANI amorfa. Sua baixa cristalinidade, ocorre por causa da desorganização na orientação dos anéis de benzeno presentes nela (JHA et al., 2018; VEERASUBRAMANI et al., 2016; XIONG et al., 2014; e, WANG et al., 2014). Voltametria Cíclica (VC) Em todos os voltamogramas obtidos usou-se uma solução aquosa de KCl (3M) e as amostras foram escaneadas entre -0,2 e 0,6 V em diferentes taxas de varredura (5, 25, 50 e 100mV/s). Nos voltamogramas das amostras de óxido de molibdênio e no óxido de bismuto, pode-se observar que para o MoO3 a taxa de varredura de 100mV/s produziu a maior corrente e para o Bi2O3 foi a taxa de 50mV/s que obteve a maior corrente. Além disso, observou-se que em todas as taxas de varredura os voltamogramas mostram uma varredura catódica e anódica característica desses óxidos. Além disso, pode-se observar que os sinais anódicos e catódicos observados nos voltamogramas desses óxidos são característicos do comportamento redox de cada um deles (KAUSAR et al., 2021; YUAN et al., 2018; ZHAO et al., 2020; e, NGUYEN et al., 2019). Nos voltamogramas das amostras de grafite, pode-se perceber que ele possui respostas bem definidas tanto na varredura catódica quanto na anódica, o que sugere que ele possui uma aplicabilidade em ambas as regiões. Além disso, observou-se que as formas dos voltamogramas não são afetadas pela mudança da taxa de varredura (SILVA et al., 2018; e, PENCONI et al., 2020). Os voltamogramas das amostras de polianilina (PANI) mostraram que na taxa de varredura a 100mV/s obteve-se a maior corrente. Aparentemente, as curvas desse polímero exibem uma área maior que os demais compostos apresentados anteriormente, isso indica que ela possui uma maior capacitância específica. Isso pode ser atribuído às suas características estruturais únicas com alta área superficial (AHMAD et al., 2021; ASHOKKUMAR et al., 2020; e, HAN et al., 2020).

Conclusões

Devido às mudanças climáticas que vem ocorrendo gradualmente ao longo dos últimos anos é de grande importância o desenvolvimento de novas tecnologias sustentáveis que promovem a redução do consumo de energia e consequentemente a redução da poluição ambiental. No entanto, fabricar um dispositivo que consiga combinar alta energia específica, rápido carregamento e alta potência específica com baixo custo de produção ainda é um desafio. Dentre os possíveis dispositivos, o supercapacitor é uma tecnologia promissora para solucionar esses problemas, já que ele consegue combinar as características mais relevantes da bateria e do capacitor. Sabe-se que a implementação de óxidos metálicos, polímeros intrinsecamente condutores e matrizes à base de carbono propícias para otimização desse dispositivo. Os materiais propostos nesse trabalho - nanopartículas de óxido de molibdênio, óxido de bismuto, grafite, e polianilina – apresentam características promissoras (principalmente características elétricas) e pouco estudadas. Além disso, esses materiais vão interferir nas características do dispositivo fabricado, especialmente em seu desempenho o que irá refletir positivamente no custo de produção.

Agradecimentos

Agradecimento à CAPES (bolsa IHWSR) e à FAPERJ pelo apoio financeiro.

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