Desenvolvimento de eletrodos híbridos baseados em grafeno decorado por metais para aplicações em armazenamento de energia

Abstract

Este trabalho teve como objetivo desenvolver eletrodos para sistemas de armazenamento de energia, utilizando compósitos poliméricos híbridos combinando nanocelulose e nanoplaquetas de grafeno (NPG), com potencial aplicação em capacitores e baterias. A pesquisa foi dividida em duas etapas principais: na primeira, foram produzidos filmes revestidos com soluções contendo NPG, formando um eletrodo, para avaliar suas propriedades condutivas e eletroquímicas. Na segunda etapa, foram desenvolvidos compósitos com e sem nanocelulose em conjunto com NPG sem e com decoração de metais (cobre, nióbio e molibdênio) em diferentes concentrações (0,1%, 0,5%, 1%, 2% e 4%). Na primeira etapa foram produzidos filmes de nanocelulose, sendo eles submetidos ao processo de revestimento por imersão (5 e 10 camadas) em mistura de nanocelulose com concentração de 0,1 e 0,5% (m/V) e concentração de NPG 0,5% (m/V). Os resultados da primeira etapa mostraram que os filmes revestidos com mistura de fibra de nanocelulose (FNC) e 0,5% de NPG apresentaram resultados de condutividades volumétrica e superficial na ordem de 10-5 e 101 S.m-1. Testes eletroquímicos das amostras revestidas não foram bem-sucedidos devido à insuficiente condutividade para formar um circuito eficiente. Na segunda etapa foram produzidos eletrodos de filmes compósitos de NPG com e sem FNC. Os eletrodos de filmes compósitos com FNC foram produzidos com e sem adição de carboximetilcelulose (CMC) nas concentrações de 1,4% (m/V) de FNC, NPG nas concentrações de 15 e 30% (m/m) e com adição de CMC 1% (m/V). Os eletrodos compósitos de NPG foram produzidos com adição de polímero sintético fluoreto de polivinilideno (PVDF) em concentração de 10% (m/m) de NPG (sem e com decoração de metais), 10% (m/m) de PVDF e 80% (m/m) de negro de fumo. A resposta dos materiais contendo FNC foram semelhantes ao da primeira etapa, também não permitindo uma análise eletroquímica devido sua baixa condutividade. Os eletrodos com NPG decoradas com metais demonstraram melhorias na condutividade superficial, especialmente nas amostras com nióbio e molibdênio. A análise de voltametria cíclica revelou aumentos na capacitância específica para eletrodos com cobre 1% (Cu_1%) e nióbio 2% (Nb_2%) em 2,5 e 18,9% em relação a amostra não decorada. Adicionalmente, a adição de surfactantes como dodecil sulfato de sódio e etilenoglicol ao eletrólito (sulfato de sódio 0,5 M) melhorou a molhabilidade e o desempenho eletroquímico, reduzindo o ângulo de contato (3 a 13% sulfato de sódio e 18 a 37% etilenoglicol) e aumentando a área ativa das curvas de voltametria. Concluiu-se que os filmes revestidos com NPG e os eletrodos de NPG decoradas com metais, especialmente cobre e nióbio, apresentaram propriedades promissoras para aplicações em dispositivos de armazenamento de energia. A utilização de surfactantes no eletrólito mostrou-se eficaz para otimizar o contato eletrólitoeletrodo, destacando-se como uma estratégia viável para melhorar o desempenho dos supercapacitores. O estudo abre caminho para futuras pesquisas visando otimizar a composição e a funcionalização dos materiais para aplicações práticas.

This work aimed to develop electrodes for energy storage systems using hybrid polymer composites combining nanocellulose and graphene nanoplatelets (NPG), with potential applications in capacitors and batteries. The research was divided into two main stages: in the first, films coated with solutions containing NPG were produced, forming an electrode, to evaluate their conductive and electrochemical properties. In the second stage, composites with and without nanocellulose were developed in conjunction with NPG with and without metal decoration (copper, niobium, and molybdenum) at different concentrations (0.1%, 0.5%, 1%, 2%, and 4%). In the first stage, nanocellulose films were produced and subjected to an immersion coating process (5 and 10 layers) in a mixture of nanocellulose with concentrations of 0.1 and 0.5% (w/v) and an NPG concentration of 0.5% (w/v). The results of the first stage showed that films coated with a mixture of nanocellulose fiber (NCF) and 0.5% NPG presented volumetric and surface conductivities on the order of 10⁻⁵ and 10¹ S.m⁻¹, respectively. Electrochemical tests of the coated samples were unsuccessful due to insufficient conductivity to form an efficient circuit. In the second stage, NPG composite film electrodes were produced with and without NCF. The NCF composite film electrodes were produced with and without the addition of carboxymethylcellulose (CMC) at concentrations of 1.4% (w/v) NCF, NPG at concentrations of 15% and 30% (w/w), and with the addition of 1% (w/v) CMC. The NPG composite electrodes were produced with the addition of synthetic polymer polyvinylidene fluoride (PVDF) at a concentration of 10% (w/w) NPG (without and with metal decoration), 10% (w/w) PVDF and 80% (w/w) carbon black. The response of the materials containing carbon black was similar to that of the first stage, also not allowing for electrochemical analysis due to their low conductivity. Electrodes with metal-decorated NPG showed improvements in surface conductivity, especially in the samples with niobium and molybdenum. Cyclic voltammetry analysis revealed increases in specific capacitance for electrodes with 1% copper (Cu_1%) and 2% niobium (Nb_2%) by 2.5% and 18.9%, respectively, compared to the undecorated sample. Additionally, the addition of surfactants such as sodium dodecyl sulfate and ethylene glycol to the electrolyte (0.5 M sodium sulfate) improved wettability and electrochemical performance, reducing the contact angle (3 to 13% sodium sulfate and 18 to 37% ethylene glycol) and increasing the active area of the voltammetry curves. It was concluded that NPGcoated films and NPG electrodes decorated with metals, especially copper and niobium, showed promising properties for applications in energy storage devices. The use of surfactants in the electrolyte proved effective in optimizing the electrolyte-electrode contact, standing out as a viable strategy to improve the performance of supercapacitors. This study paves the way for future research aimed at optimizing the composition and functionalization of materials for practical applications.