Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/35770
Type: Tese
Title: Preparação e caracterização de supercapacitores utilizando carbonos nanoestruturados, eletrólitos aquosos, orgânico e líquidos iônicos
Authors: Mayara Cele Gonçalves Santos
First Advisor: Rodrigo Lassarote Lavall
First Referee: Rodrigo Lassarote Lavall
Second Referee: Alexander Hiroshi Kasama
Third Referee: Sergio Humberto Domingues
metadata.dc.contributor.referee4: Tulio Matencio
metadata.dc.contributor.referee5: Arilza de Oliveira Porto
Abstract: No presente trabalho foram desenvolvidos capacitores de dupla camada elétrica, empregando diferentes matérias de carbono (carvão ativado, nanotubos de carbono e carbono mesoporoso) como eletrodos em conjunto com eletrólitos aquosos, orgânico e líquidos iônicos (LI) com diferentes tipos de cátions e ânions. O trabalho teve como objetivo analisar a influência na estabilidade e eficiência de supercapacitores baseados nos diferentes materiais de carbono e líquidos iônicos, bem como a sua comparação com células preparadas com eletrólitos aquoso e orgânico, com foco na determinação da janela de trabalho dos dispositivos. Com isso, foi estabelecido um método para se determinar a janela de estabilidade eletroquímica e parâmetros de célula para dispositivos baseados em líquidos iônicos, fundamentado no estudo da eficiência coulômbica e eficiência energética. Além disso, células simétricas e uma assimétrica construídas com eletrodos de matérias nanocompósitos (carbono mesoporoso combinado com diferentes nanotubos de carbono e óxido de grafeno reduzido) e o líquidos iônicos [EMI][BF4] foram estudadas, visando melhorias na capacitância, densidades de energia e densidade de potência. A avaliação dos dispositivos construídos a partir dos nanocompósitos demostrou que a adição de 30% de nanocargas à matriz mesoporosa foi eficaz na obtenção de materiais compósitos com maiores valores de condutividade elétrica, que acarretou supercapacitores com propriedades superiores em relação aos materiais de partida e outros compósitos citados na literatura. Por fim, as propriedades eletroquímicas de um eletrodo nanocompósito tipo buckypaper formado por nanotubos de carbono de paredes duplas e triplas e nanofibrilas de celulose foram avaliadas com o emprego de diferentes eletrólitos redox. O buckypaper compósito apresentou excelentes propriedades físico-químicas, incluindo baixa resistividade elétrica (20,3 S cm-1) e propriedades mecânicas superiores às de um buckypaper preparado sem a adição das nanofibrilas de celulose. Além de ser flexível e dobrável, o filme nanocompósito apresentou aumento de 375% na resistência à tração e 400% na tensão máxima na ruptura. Como eletrodo, o buckypaper nanocompósito opera com alta retenção de capacitância em diferentes pHs com as diferentes espécies redox dissolvidas. Com destaque para a célula construída usando eletrólito à base de hidroquinona, que apresenta alta capacitância específica (380,8 F g-1 a 1,0 A g-1), e alta capacidade de retenção de capacitância (216,1 F g-1 a 15 A g-1), além de uma resistência à transferência de carga de 0,011 Ω.
Abstract: In the present work, electric double layer capacitors were developed employing different carbon materials (activated carbon, carbon nanotubes and mesoporous carbon) as electrodes, and aqueous, organic and ionic liquids - ILs (with different types of cations and anions) electrolytes. The work aimed to analyze the influence of the different carbon materials and ionic liquids on the stability and efficiency of supercapacitors prepared with these materials, as well as their comparison with cells prepared with aqueous and organic electrolytes, with a focus on the establishment of the working potential of the devices. Thus, a method to determine the electrochemical stability window and cell parameters for devices based on ionic liquids was established based on the study of coulombic efficiency and energy efficiency. In addition, symmetrical devices and an asymmetric cell constructed with nanocomposite materials (mesoporous carbon combined with different carbon nanotubes and reduced graphene oxide) electrodes and ionic liquids [EMI] [BF4] were studied, aiming the improvements in capacitance, energy densities and power density. The evaluation of devices constructed from nanocomposites showed that the addition of 30% of nanofillers to the mesoporous matrix was effective in obtaining composite materials with higher values of electrical conductivity, which resulted in supercapacitors with superior properties in relation to those prepared with the starting materials and other composites cited in the literature. Finally, the electrochemical properties of a buckypaper nanocomposite electrode formed by carbon nanotubes with double and triple walls and cellulose nanofibrils were evaluated with the use of different redox electrolytes. The composite buckypaper had excellent physical-chemical properties, including low electrical resistivity (20.3 S cm-1) and superior mechanical properties in comparison to buckypaper prepared without the addition of cellulose nanofibrils. In addition, once it is flexible and foldable, the nanocomposite film showed an increase of 375% in tensile strength and 400% in maximum stress at break. Acting as an electrode, the nanocomposite buckypaper operates with high capacitance retention at different pHs with the different dissolved redox species. The half-cell built using hydroquinone-based electrolyte should be highlighted, once it has a high specific capacitance (380.8 F g-1 to 1.0 A g-1), and a high capacitance retention capacity (216.1 F g-1 to 15 A g-1), in addition to a load transfer resistance of 0.011 Ω.
Subject: Físico-química
Filtros elétricos de resistência-capacitância
Carbono ativado
Nanotubos de carbono
Nanotecnologia
Eletrodos
Eletroquímica
Hidroquinonas
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICEX - INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/35770
Issue Date: 26-Aug-2020
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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