Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/33977
Type: Tese
Title: Estudo eletroquímico de filmes finos de híbridos de polímeros conjugados e nanotubos de carbono para aplicação em dispositivos de armazenamento de energia
Other Titles: Electrochemical study of hybrids thin films of conjugated polymers and carbon nanotubes for application in energy storage devices
Authors: Glenda Ribeiro de Barros Silveira Lacerda
First Advisor: Hállen Daniel Rezende Calado
First Co-advisor: Tulio Matencio
First Referee: Sérgio Humberto Domingues
Second Referee: João Paulo de Mesquita
Third Referee: Vanessa de Freitas Cunha Lins
metadata.dc.contributor.referee4: Marcelo Machado Viana
Abstract: Este trabalho apresenta a síntese e caracterização de híbridos de nanotubos de carbono (NTC) ligados covalentemente a copolímeros conjugados formados por 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT) e derivados de pirrol (pirrol - Py, metilpirrol - MPy e 3-(pirrol-1-metil)piridina - PyMP). Os NTCs foram funcionalizados em três etapas, que consistiu na oxidação inicial com ácido sulfúrico e ácido nítrico concentrado (3:1 v/v), seguido por um processo de amidação (1,3-diaminopropano - DAP ou tetraetilenopentamina - TEPA) e adição da unidade monomérica via ácido tiofeno carboxílico (ATC). Posteriormente, a copolimerização foi usada para a formação de seis novos híbridos: NTC-TEPA-ATC-P(EDOT-co-Py) (H1), NTC-TEPA-ATC-P(EDOT-co-MPy) (H2), NTC-TEPA-ATC-P(EDOT-co-PyMP) (H3), NTC-DAP-ATC-P(EDOT-co-Py) (H4), NTC-DAP-ATC-P(EDOT-co-MPy) (H5) e NTC-DAP-ATC-P(EDOT-co-PyMP) (H6). Todos os híbridos foram caracterizados por técnicas espectroscópicas (Infravermelho - IV, Raman e Espectroscopia de Fotoelétrons por Raios-X - XPS), térmicas (Termogravimetria - TG) e morfológicas (Microscopia Eletrônica de Transmissão - MET). As técnicas utilizadas confirmaram a cobertura do material polimérico ao longo da NTC e sua composição polimérica de aproximadamente 45% em massa no híbrido, correspondendo à formação molar de 1:1 NTC:copolímeros conjugados. Os estudos de comportamento eletroquímico e elétrico de todos os híbridos foram realizados, indicando sua potencial aplicação como material de eletrodo em supercapacitores (SCs), com seus resultados de condutividade elétrica até sessenta vezes maiores que o copolímero correspondente. A confecção dos dispositivos (SCs) completos permitiu analisar a versatilidade dos materiais em diferentes meios eletrolíticos (acetonitrila e água), a partir de um estudo com o híbrido H3. As capacitâncias das células simétricas obtidas para os SCs baseados em H3 foram 56% e 115% superior ao das células preparadas com o NTC não modificado em meio orgânico e aquoso, respectivamente. As células completas também exibiram excelente ciclabilidade com 81,3% (aquoso) e 77,5% (orgânico) de retenção de capacitância após 5000 ciclos. Outro estudo realizado partiu da comparação dos híbridos (H5 e H6) com seus materiais precursores utilizando solução aquosa de LiClO4 como eletrólito. Os híbridos H5 (109,4 F g-1) e H6 (139,6 F g-1) sintetizados apresentaram uma melhora nos valores de capacitância em comparação com o sistema de NTC puro (60,9 F g-1) e com os copolímeros de origem (69,2 F g-1 para P(EDOT-co-MPy) e 64,9 F g-1 para o P(EDOT-co-PyMP)). A boa retenção de capacitância em função da corrente aplicada nas células também foi melhorada como resultado de um aprimoramento na transferência de carga nos híbridos. Os dispositivos apresentaram alto desempenho com excelente estabilidade de ciclagem, em comparação com a baixa ciclabilidade dos copolímeros conjugados, mesmo após 20000 ciclos. As propriedades dos dispositivos indicam a viabilidade da abordagem sintética usada, mostrando que os híbridos preparados são materiais promissores para uso em supercapacitores altamente cicláveis.
Abstract: This work presents the synthesis and characterization of carbon nanotube (CNT) hybrids covalently bounded to conjugated copolymers formed by 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) and pyrrole derivatives (pyrrole - Py, methylpyrrole - MPy and 3-(pyrrol-1- ylmethyl)pyridine - PyMP). The CNTs were functionalized in three stages, which consisted of their initial oxidation with sulfuric acid and concentrated nitric acid (3:1 v/v), followed by an amidation process (1,3-diaminopropane - DAP or tetraethylenepentamine - TEPA) and addition of the monomeric unit via thiophene carboxylic acid (TCA). Subsequently, copolymerization was used to form six new hybrids: CNT-TEPA-TCA-P(EDOT-co-Py) (H1), CNT-TEPA-TCA-P(EDOT-co-MPy) (H2), CNT-TEPA-TCA-P(EDOT-co-PyMP) (H3), CNT-DAP-TCA-P(EDOT-co-Py) (H4), CNT-DAP-TCA-P(EDOT-co-MPy) (H5) and CNT-DAP-TCA-P(EDOT-co-PyMP) (H6). All hybrids were characterized by spectroscopic techniques (Infrared - IR, Raman, and X-ray Photoelectron Spectroscopy - XPS), thermal (Thermogravimetry - TG) and morphological (Transmission Electron Microscopy - MET). The techniques used confirmed the coverage of the polymeric material throughout the CNT and their polymeric composition of approximately 45% by mass in the hybrid, corresponding to the molar formation of 1:1 CNT:conjugated copolymers. The studies of the electrochemical and electrical behavior of all hybrids were carried out, indicating their potential application as electrode material in supercapacitors (SCs), with their electrical conductivity results up to sixty times greater than the corresponding copolymer. The assemble of the complete devices (SCs) allowed us to analyze the versatility of the materials in different electrolytic media (acetonitrile and water), from a study with the H3 hybrid. The capacitances of the symmetrical cells obtained for SCs based on H3 were 56% and 115% higher than that of cells prepared with the unmodified NTC in organic and aqueous media, respectively. Complete cells also exhibited excellent cyclability with 81.3% (aqueous) and 77.5% (organic) capacitance retention after 5000 cycles. Another study carried out started with the comparison of hybrids (H5 and H6) with their precursor materials using aqueous LiClO4 solution as the electrolyte. The hybrids H5 (109.4 F g-1) and H6 (139.6 F g-1) synthesized showed an improvement in capacitance values compared to the pure CNT system (60.9 F g-1) and with the parent copolymers (69.2 F g-1 for P(EDOT-co-MPy) and 64.9 F g-1 for P(EDOT-co-PyMP)). The good retention of capacitance as a function of the current applied to the cells was also improved as a result of an improvement in charge transfer in the hybrids. The devices showed high performance with excellent cycling stability, compared to the low cycling of conjugated copolymers, even after 20000 cycles. The properties of the complete devices indicate the feasibility of the synthetic approach used, showing that the prepared hybrids are promising materials for use in highly cyclable supercapacitors.
Subject: Físico-química
Filmes Finos
Propriedades elétricas
Nanotubos de carbono
Eletroquímica
Polímeros conjugados
Energia - Armazenamento
Filtros elétricos de resistência-capacitância
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/33977
Issue Date: 19-Jun-2020
Appears in Collections:Teses de Doutorado



Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.