Estudo de compósitos de MnO2 e carbono ativado para uso como material de eletrodo de supercapacitores híbridos

• Processo: 18/19759-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Vigência (Início): 01 de dezembro de 2018
• Vigência (Término): 01 de abril de 2020
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Nerilso Bocchi
• Beneficiário: Samuel Henrique Mattoso
• Instituição Sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
• Bolsa(s) vinculada(s): 19/10772-7 - Caracterização de materiais e eletroquímica de pós híbridos de carbono SP2/SP3 para uso em fontes eletroquímicas de energia, BE.EP.IC
• Assunto(s): Eletroquímica Supercapacitores Dióxido de manganês Materiais compósitos
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: carbono ativado | Compósitos MnO2 + C | dióxido de manganês | Supercapacitores híbridos | Eletroquímica

Resumo

Sistemas de armazenamento de energia têm sido cada vez mais importantes na atualidade devido ao seu crescente uso em aparelhos eletroeletrônicos, carros elétricos e outras tecnologias. Nesse contexto, supercapacitores vêm sendo investigados tendo em vista suas propriedades intermediárias em relação aos sistemas convencionais, tais como baterias e capacitores. Diversos compostos vêm sendo estudados, como óxidos, materiais carbonáceos, entre outros. O óxido mais avaliado é o dióxido de rutênio hidratado e amorfo, pois possui elevados valores de capacitância específica experimental e teórico. Contudo, esse material possui desvantagens como alto custo e toxicidade (não ambientalmente amigável). Dentre os materiais estudados para substituir o dióxido de rutênio, o dióxido de manganês é um candidato promissor, pois possui alta capacitância específica teórica, baixo custo e não é nocivo ao meio ambiente. Porém, em relação aos valores de condutividade elétrica e área superficial específica, o dióxido de manganês não apresenta valores comparáveis aos do dióxido de rutênio, sendo essas duas características as mais estudadas. Uma das maneiras de se melhorar a condutividade do dióxido de manganês é misturando-o com materiais carbonáceos, como o negro de acetileno. A mistura resultante também apresenta melhor eficiência de coleta de carga devido às interações entre ambas as espécies. Apesar disto, o negro de acetileno pode não contribuir para aumentar a área superficial específica e fazer com que a quantidade de material ativo seja menor no eletrodo do supercapacitor. Assim, neste projeto pretende-se preparar materiais compósitos constituídos pela mistura de dióxido de manganês nanométrico, carbono ativado de polianilina (CAP) e um material aglutinante (PVDF) em distintas proporções em massa e avaliar seus respectivos desempenhos eletroquímicos como materiais de eletrodo de supercapacitores. As etapas do projeto que serão realizados são a síntese do dióxido de manganês (MnO2) nanométrico, síntese do carbono ativado de polianilina (CAP), preparação dos eletrodos compósitos e caracterizações eletroquímicas. A síntese do MnO2 será feita com o uso da metodologia hidrotermal assistida por micro-ondas, sendo os reagentes de partida permanganato de potássio (KMnO4) e acetona [(CH3)2CO]. A síntese do CAP será realizada a partir de polianilina dopada com ânions p-toluenossulfonato que será queimada em forno tubular em atmosfera de N2 e ativado com KOH, seguido de outro aquecimento em atmosfera de N2 e de uma lavagem com solução de HCl. Materiais compósitos serão preparados a partir da mistura de MnO2, CAP e PVDF em diversas proporções com ciclopentanona, levando à formação de uma tinta que será aplicada nos eletrodos de platina. Tais eletrodos preparados serão submetidos a caracterizações eletroquímicas através de medidas de voltametria cíclica e carregamento e descarregamento à corrente constante. Para realização dessas medidas, será usada uma célula eletroquímica convencional contendo o eletrodo de trabalho previamente preparado, uma lâmina de platina como contra eletrodo e um eletrodo de calomelanos saturado (ECS) como referência, imersos em uma solução de Na2SO4 0,1 mol L-1