Estudos físico-químicos e desenvolvimento de baterias de inserção de prótons a partir de hexacianoferratos

dc.creatorLorena Almeida Cadête Costa
dc.date.accessioned2025-01-14T17:58:13Z
dc.date.accessioned2025-09-09T00:09:45Z
dc.date.available2025-01-14T17:58:13Z
dc.date.issued2024-12-13
dc.description.abstractThis work involved the synthesis and physicochemical characterization, including electrochemical studies, of hexacyanoferrates (HCFs), CuHCF, VOHCF, ZnHCF, CoHCF, NiHCF and MnHCF, for application in energy storage devices by means of proton insertion reactions in aqueous media. The results showed that both the synthesis carried out by coprecipitation at a temperature of 25-30°C and that carried out in an autoclave at 120 and 150°C obtained particles of very similar morphology and size. The specific discharge capacities at 0.5 C were 80, 65 and 50 mAh g-1 and at 120 C 40, 4 and 15 mAh.g-1, respectively for CuHCF, CuHCF.120 and CuHCF.150. The VOHCF, VOHCF.120 and VOHCF.150 compounds showed values of 120, 76 and 82 mAh g-1 at 0.5 C and 40, 29 and 19 mAh g-1 at 120 C, respectively. Furthermore, ex-situ XRD studies showed that after 500 cycles at a rate of 20 C, the CuHCF kept its crystal structure fairly well preserved, in the cubic phase. However, after the first ionic insertion into the VOHCF (oxidized state), a new phase of greater crystallinity appears, never reported in the literature. After 500 cycles (oxidized state), the material has degraded considerably; while in its reduced state it displays a mixture of phases, with the initial cubic phase being fairly well preserved. The galvanostatic intermittent titration (GITT) studies carried out on CuHCF and VOHCF, with temperature variations and using ordinary and deuterated sulphuric acid electrolytes, showed that the reactions are dependent on the interaction of these ions with the water molecules inside the structure and suggest that the predominant mechanism for proton transport is that of Grotthuss. The CoHCF, ZnHCF and MnHCF compounds did not perform well. NiHCF showed good electrochemical performance at high rates, with a specific capacity at 0.5 C of 47 mAh g-1 and at 100 C of 24 mAh g-1. These results confirmed that this class of compounds, especially CuHCF, VOHCF and NiHCF, could be promising for the development of rechargeable proton insertion batteries. These devices can be cheap, safe, with good energy density and power density.
dc.description.sponsorshipCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.description.sponsorshipFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/79209
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
dc.subjectFísico-química
dc.subjectPrótons
dc.subjectBaterias de lítio
dc.subjectEletroquímica
dc.subjectEnergia - Armazenamento
dc.subjectSíntese inorgânica
dc.subjectRaios X - Difração
dc.subjectMicroscopia eletrônica - Técnica
dc.subjectEspectroscopia de raio X
dc.subjectVoltametria
dc.subject.otherBateria recarregável
dc.subject.otherInserção de prótons
dc.subject.otherHexacianoferratos
dc.subject.otherMecanismo de grotthuss
dc.subject.otherDifusão iônica
dc.titleEstudos físico-químicos e desenvolvimento de baterias de inserção de prótons a partir de hexacianoferratos
dc.title.alternativePhysicochemical studies and development of proton insertion batteries from hexacyanoferrates
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor-co1Tulio Matencio
local.contributor.advisor1Luciano Andrey Montoro
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7289431894313268
local.contributor.referee1Jairo Tronto
local.contributor.referee1Márcio César Pereira
local.contributor.referee1Arilza de Oliveira Porto
local.contributor.referee1Rodrigo Lassarote Lavall
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5781256712896292
local.description.resumoNo presente trabalho foi realizada a síntese e a caracterização físico-química, incluindo estudos eletroquímicos, de Hexacianoferratos (HCFs), CuHCF, VOHCF, ZnHCF, CoHCF, NiHCF e MnHCF, para aplicação em dispositivos de armazenagem de energia por meio de reações de inserção de prótons em meio aquoso. Os resultados demonstraram que tanto a síntese realizada por coprecipitação em temperatura de 25-30°C, quanto a realizada em autoclave a 120 e 150°C obtiveram partículas de morfologia e tamanho bastante similares. Sendo as capacidades específicas de descarga em taxa 0,5 C iguais a 80, 65 e 50 mAh g-1 e para taxa 120 C de 40, 4 e 15 mAh g-1, obtidas respectivamente para o CuHCF, CuHCF.120 e CuHCF.150. E quanto aos compostos de VOHCF, VOHCF.120 e VOHCF.150 apresentaram em taxa 0,5 C, respectivamente, valores iguais a 120, 76 e 82 mAh g-1 e em 120 C, valores de 40, 29 e 19 mAh g-1. Ademais, estudos de DRX ex-situ demonstraram que após 500 ciclos em taxa 20 C o CuHCF manteve sua estrutura cristalina bastante preservada, na fase cúbica. Porém, após a primeira inserção iônica no VOHCF (estado oxidado), surge uma nova fase de maior cristalinidade, nunca reportada na literatura. Após 500 ciclos (estado oxidado), o material degradou consideravelmente; enquanto em seu estado reduzido exibe uma mistura de fases, sendo a fase inicial cúbica bastante preservada. Os estudos de titulação galvanostática intermitente (GITT) com variação de temperatura e utilizando eletrólitos de ácido sulfúrico comum e deuterado, realizados com o CuHCF e VOHCF, mostraram que as reações são dependentes da interação destes íons com as moléculas de água no interior da estrutura e sugerem que o mecanismo predominante no transporte de prótons é o de Grotthuss. Os compostos de CoHCF, ZnHCF e MnHCF não apresentaram bons resultados. O NiHCF apresentou bom desempenho eletroquímico em taxas elevadas, sendo a capacidade específica em 0,5 C de 47 mAh g-1 e em 100 C de 24 mAh g-1. Estes resultados confirmaram que essa classe de compostos, com destaque para CuHCF, VOHCF e NiHCF, pode ser promissora para o desenvolvimento de baterias recarregáveis de inserção de prótons. Estes dispositivos podem ser baratos, seguros, com boa densidade de energia e densidade de potência.
local.identifier.orcid0009-0002-9086-5827
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química

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