Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-AKYNXU
Type: Tese de Doutorado
Title: Síntese e caracterização de nanocompósitos e de híbridos de polímeros conjugados/nanomateriais de carbono para aplicação em supercapacitores
Authors: Ana Paula Pereira Alves
First Advisor: Glaura Goulart Silva
First Co-advisor: Hallen Daniel Rezende Calado
First Referee: Maria Luiza Rocco Duarte Pereira
Second Referee: Fritz Cavalcante Huguenin
Third Referee: Tulio Matencio
metadata.dc.contributor.referee4: Luciano Andrey Montoro
Abstract: Neste trabalho, foram sintetizados híbridos de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT)/ nanotubos de carbono de múltiplas camadas (MWCNT) e nanocompósitos ternários de polipirrol (PPi)/ óxido de grafeno reduzido (rGO) e óxido de zircônio. Em ambos os casos, os materiais foram caracterizados para melhor compreensão da relação entre estrutura e propriedade e os materiais fabricados foram avaliados como materiais ativos em dispositivos supercapacitores. O principal objetivo é contribuir para a área de estocagem e conversão de energia associada a equipamentos eletrônicos e ao uso de energia renovável. Primeiramente foram preparados dois tipos de híbridos de P3HT e MWCNT, sendo um deles com ligação covalente entre os materiais, que foi sintetizado por polimerização oxidativa in situ do 3-hexiltiofeno (3HT) na presença do MWCNT previamente funcionalizado com uma unidade monomérica de tiofeno. Além disso, também foi obtido um segundo híbrido pela polimerização de 3HT na presença de MWCNT funcionalizado com amina, formando um híbrido não covalente (P3HT/MWCNT). A proporção em massa dos híbridos foi de 1:1 (polímero:MWCNTs). O híbrido com ligação covalente em superfície -1 -1 (P3HTMWCNT) apresentou uma condutividade elétrica de 4,6 × 10 S cm , que foi cinco vezes maior que a do híbrido baseado em interação não covalente. A estrutura química, a morfologia e as propriedades eletroquímicas dos híbridos foram comparadas com as do P3HT puro e MWCNT puro. O híbrido covalente foi facilmente disperso em solventes orgânicos comuns e foi escolhido como material de eletrodo no estudo dos supercapacitores. Este material permitiu um alto desempenho do dispositivo com eletrólito aquoso, mostrando uma -1 -1 capacitância específica de 312 F g em uma velocidade de varredura de 10 mV s , que foi sete vezes maior do que o supercapacitor baseado em MWCNT. Em uma segunda etapa do trabalho, foram sintetizados compósitos ternários de PPi/rGO/ZrO2 usando um método de cronopotenciometria em etapa única, simples e facilmente escalável. Esse trabalho foi desenvolvido na Rice University (Houston, TX, EUA) em estágio sanduiche com a colaboração do grupo do Prof. P. Ajayan. A caracterização detalhada do nanocompósito revelou que a adição de rGO e ZrO2 modificou a morfologia e a estrutura do material do eletrodo, quando comparado com o eletrodo do compósito binário PPi/rGO e do PPi puro. A capacitância específica da arquitetura 3D do sistema ternário -1 utilizado com eletrólito aquoso permitiu que o supercapacitor alcançasse o valor de 341 F g -1 em 5 mV s que foi 1,6 e 2 vezes maior que os dispositivos correspondentes usando sistemas binário e unário. O composto ternário apresentou alta estabilidade eletroquímica, com um aumento de 5% em capacitância após mil ciclos em relação ao valor inicial. Os dispositivos com diferentes composições de polímeros conjugados (PC) e nanomateriais de carbono desenvolvidos neste trabalho apresentaram bons resultados de propriedades eletroquímicas, além de longa estabilidade e podem ser candidatos para a preparação de dispositivos flexíveis com potencial tecnológico.
Abstract: In this work, we synthesized hybrids based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT)/ multi- walled carbon nanotubes (MWCNT) and ternary nanocomposite composed of polypyrrole (PPy), reduced graphene oxide (RGO) and zirconium oxide. In both cases, the materials were characterized to better understand the relation between structure and property, and the fabricated materials were evaluated as the active materials in supercapacitors devices. The main goal is to contribute to the storage and energy conversion area associated to electronic equipment and the use of renewable energy. First, two types of P3HT and MWCNT hybrids there were prepared, one covalently linked between the components was synthesized by in-situ oxidative polymerization of 3- hexylthiophene (3HT) in the presence of MWCNT previously functionalized with a monomeric unit of thiophene. The second one was prepared by the polymerization of 3HT in the presence of MWCNT functionalized with amine groups, forming a non-covalent hybrid (P3HT/MWCNT). The hybrids were synthesized with a 1:1 (polymer:MWCNTs) mass ratio. -1 -1 The covalent hybrid (P3HTMWCNT) achieved an electrical conductivity of 4.6×10 S cm , which was 5 times higher than that of the other hybrid. The chemical structure, morphology and electrochemical properties of the hybrids were compared with those of neat P3HT and neat MWCNTs. Thus, the covalent hybrid which showed superior connection between the two components and it was easily dispersed in common organic solvents, was chosen for the study of supercapacitors. This material showed a high performance reaching a specific -1 -1 capacitance of 312 F g at a scan rate of 10 mV s , which was seven times higher than the supercapacitor based on MWCNT. In the second part, we were synthesized ternary composites composed of PPy/RGO/ZrO2, using a simple and easily scalable one-step chronopotenciometry method. This work was developed at Rice University (Houston, TX, USA) (visiting scholar program- CNPq) with the collaboration of the group of Prof. P. Ajayan. The detailed characterization revealed that the addition of rGO and ZrO2 modified the morphology and the structure of the electrode material compared with those based on binary composite PPy/rGO and pure PPy. -1 -1 The 3D architecture reached a specific capacitance value of 341 F g at 5 mV s , which was 1.6 and 2 times higher than the unary and binary, respectively. The ternary composite featured high stability, with an increase of 5% in capacitance after a thousand cycles. The devices based on different compositions of conjugated polymers (PC) and carbon nanomaterials developed in this work presented good results of electrochemical properties, and long-term stability and can be candidates for the preparation of flexible devices with technological potential.
Subject: Físico-química
Polímeros conjugados
Nanotubos de carbono
Capacitores
Nanotecnologia
Grafeno
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-AKYNXU
Issue Date: 17-Feb-2017
Appears in Collections:Teses de Doutorado

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
tese_ana_paula_p_alves_po_s_defesa_revisado.pdf5.02 MBAdobe PDFView/Open


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