Desenvolvimento de pseudocapacitores a partir de compósitos de óxidos metálicos e carvão ativado

• Processo: 18/20756-6
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de maio de 2019
• Data de Término da vigência: 30 de abril de 2023
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Elétrica - Materiais Elétricos
• Pesquisador responsável: Hudson Giovani Zanin
• Beneficiário: Willian Gonçalves Nunes
• Instituição Sede: Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 14/02163-7 - Desenvolvimento de dispositivos supercapacitores a partir de grafenos, nanotubos de carbono e diamantes, AP.JP
• Assunto(s): Armazenamento de energia Supercapacitores Óxidos metálicos Carvão ativado Eletrodeposição Níquel Cobalto Tratamento térmico
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Armazenamento de Energia | dispositivos supercapacitores | eletrólito polimérico sólido | energia limpa | nanoestruturas de óxidos contendo Ni e Co | Energia

Resumo

A fabricação de supercapacitores (SC) ou Capacitores Eletroquímicos (CE), os quais armazenam grande quantidade de energia de forma reversível e permitem sua rápida liberação para sistemas elétricos, é de suma importância na pesquisa de vanguarda, visto que estes dispositivos são elementos auxiliares essenciais para o uso em veículos elétricos modernos. Os SC/CE podem ser classificados conforme o tipo de processo responsável pela estocagem de energia: (i) capacitores eletroquímicos de dupla camada elétrica (EDLCs) baseados na carga/descarga da dupla camada elétrica formada na interface eléctrodo/eletrólito (processo não faradáico) e (ii) pseudocapacitores eletroquímicos (EPCs), baseados na pseudocapacitância oriunda das reações redox superficiais do estado sólido (processo faradáico). Normalmente, verifica-se que os EPCs, embora de custo de fabricação mais oneroso, exibem uma 'capacitância específica (F g-1)' superior quando comparados aos EDLCs. Neste contexto, o uso de materiais compósitos nanoestruturados constituídos de óxidos mistos contendo Ni e Co suportados sobre substratos de carbono altamente rugosos/porosos (e.g., feltro de carbono, nanotubos de carbono, etc.) pode resultar em materiais eletródicos com alto desempenho para o processo de armazenamento de energia. No presente estudo, os materiais eletródicos serão obtidos mediante eletrodeposição dos metais Ni e Co em meio aquoso, em diferentes proporções (razão Ni:Co), sobre diferentes substratos de carbono, seguido ou não do processo de tratamento térmico. Este processo de síntese visa a obtenção de estruturas nanométricas, como é o caso do espinélio NiCo2O4 com diferentes nanoarquiteturas, que propiciem numa elevada área eletroquimicamente ativa para o processo de armazenamento de energia. Os valores da 'capacitância específica', a simetria das curvas de carga/descarga, bem como a longevidade durante o processo de ciclagem (ciclos de carga/descarga) serão avaliados em eletrólitos alcalinos e também num 'eletrólito polimérico sólido' (membrana NafionÒ da DuPont), visando elucidar os aspectos fundamentais responsáveis pelo processo de estocagem de carga, ou seja, o comportamento da dupla camada elétrica na presença do fenômeno da pseudocapacitância. As propriedades dos materiais compósitos contendo carbono e óxidos de Ni e Co serão investigadas e comparadas usando-se diferentes técnicas de caracterização 'in situ' (eletroquímicas) e 'ex situ' (espectroscópicas), com especial ênfase ao uso da Voltametria Cíclica (VC) visando a determinação do Fator de Morfologia (j) e da Porosidade Eletroquímica (f). A Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) será utilizada como técnica complementar para investigar os comportamentos resistivos e capacitivos inerentes aos SC/CE, bem como técnicas de difração de raios-X diversão serão empregadas. (AU)

Publicações científicas

(21)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

NUNES, WILLIAN G.; VICENTINI, RAFAEL; FREITAS, BRUNO G. A.; OLIVEIRA, FRANCISCA E. R.; PASCON MARQUE, ALINE M.; MACIEL FILHO, RUBENS; DOUBEK, GUSTAVO; DA SILVA, LEONARDO M.; ZANIN, HUDSON. Pseudo-capacitive behavior of multi-walled carbon nanotubes decorated with nickel and manganese (hydr)oxides nanoparticles. JOURNAL OF ENERGY STORAGE, v. 31, OCT 2020. (16/25082-8, 14/02163-7, 17/11958-1, 18/20756-6)

PIRES, BRUNO MORANDI; NUNES, WILLIAN GONCALVES; FREITAS, BRUNO GUILHERME; OLIVEIRA, FRANCISCA ELENICE RODRIGUES; KATIC, VERA; RODELLA, CRISTIANE BARBIERI; DA SILVA, LEONARDO MORAIS; ZANIN, HUDSON. Characterization of porous cobalt hexacyanoferrate and activated carbon electrodes under dynamic polarization conditions in a sodium-ion pseudocapacitor. JOURNAL OF ENERGY CHEMISTRY, v. 54, p. 53-62, MAR 2021. (17/11958-1, 14/02163-7, 18/20756-6)

DE MIRANDA, ANDRE NAVARRO; NUNES, WILLIAN GONSALVES; MASCHIO, LEANDRO JOSE; PEREIRA, LUIS GUSTAVO FERRONI; OKAMOTO, SAYURI; VIEIRA, RICARDO; DOUBEK, GUSTAVO. Conversion of Co-Mn-Al hydrotalcites in highly active spinel-type catalysts for peroxide decomposition. CATALYSIS TODAY, v. 397, p. 10-pg., 2022-08-01. (18/20756-6, 17/11958-1)

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NUNES, WILLIAN G.; PIRES, BRUNO M.; THAINES, ERICSON H. N. S.; PEREIRA, GABRIEL M. A.; DA SILVA, LEONARDO M.; FREITAS, RENATO G.; ZANIN, HUDSON. Operando Raman spectroelectrochemical study of polyaniline degradation: A joint experimental and theoretical analysis. JOURNAL OF ENERGY STORAGE, v. 55, p. 12-pg., 2022-10-07. (17/11958-1, 14/02163-7, 18/20756-6)

VICENTINI, RAFAEL; DA SILVA, LEONARDO M.; FRANCO, DEBORA V.; NUNES, WILLIAN G.; FIATES, JULIANE; DOUBEK, GUSTAVO; FRANCO, LUIS F. M.; FREITAS, RENATO G.; FANTINI, CRISTIANO; ZANIN, HUDSON. Raman probing carbon & aqueous electrolytes interfaces and molecular dynamics simulations towards understanding electrochemical properties under polarization conditions in supercapacitors. JOURNAL OF ENERGY CHEMISTRY, v. 60, p. 279-292, SEP 2021. (17/11958-1, 18/02713-8, 16/25082-8, 14/02163-7, 18/20756-6)

SANTOS, ERICK A.; FERNANDES, RODOLFO C.; VICENTINI, RAFAEL; AGUIAR, JOAO PEDRO; DA SILVA, LEONARDO M.; ZANIN, HUDSON. On the electrochemical properties of lithium-sulfur batteries. JOURNAL OF ENERGY STORAGE, v. 71, p. 14-pg., 2023-11-01. (18/02713-8, 22/02222-0, 20/04281-8, 14/02163-7, 16/25082-8, 18/20756-6)

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FREITAS, BRUNO; NUNES, WILLIAN G.; SOARES, DAVI MARCELO; RUFINO, FERNANDO C.; MOREIRA, CASSIO MURILO; DA SILVA, LEONARDO MORAIS; ZANIN, HUDSON. Robust, flexible, freestanding and high surface area activated carbon and multi-walled carbon nanotubes composite material with outstanding electrode properties for aqueous-based supercapacitors. MATERIALS ADVANCES, MAR 2021. (18/20756-6, 17/11958-1, 14/02163-7)

NUNES, WILLIAN G.; PIRES, BRUNO M.; DE OLIVEIRA, FRANCISCA E. R.; DE MARQUE, ALINE M. P.; CREMASCO, LETICIA F.; VICENTINI, RAFAEL; DOUBEK, GUSTAVO; DA SILVA, LEONARDO M.; ZANIN, HUDSON. Study of the aging process of nanostructured porous carbon-based electrodes in electrochemical capacitors filled with aqueous or organic electrolytes. JOURNAL OF ENERGY STORAGE, v. 28, APR 2020. (18/20756-6, 14/02163-7, 17/11958-1)

NUNES, WILLIAN G.; FREITAS, BRUNO G. A.; BERALDO, RENATO M.; MACIEL FILHO, RUBENS; DA SILVA, LEONARDO M.; ZANIN, HUDSON. A rational experimental approach to identify correctly the working voltage window of aqueous-based supercapacitors. SCIENTIFIC REPORTS, v. 10, n. 1, NOV 5 2020. (18/20756-6, 17/11958-1, 14/02163-7)

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NUNES, WILLIAN G.; MIRANDA, ANDRE N.; FREITAS, BRUNO; VICENTINI, RAFAEL; OLIVEIRA, ALINE C.; DOUBEK, GUSTAVO; FREITAS, RENATO G.; DA SILVA, LEONARDO M.; ZANIN, HUDSON. Charge-storage mechanism of highly defective NiO nanostructures on carbon nanofibers in electrochemical supercapacitors. NANOSCALE, v. 13, n. 21, p. 9590-9605, JUN 7 2021. (17/11958-1, 18/20756-6, 14/02163-7)

ALEXANDRELI, MURILO; BROCCHI, CESAR B.; SOARES, DAVI MARCELO; NUNES, WILLIAN G.; FREITAS, BRUNO G.; DE OLIVEIRA, FRANCISCA E. R.; ARANHA SCHIAVO, LUIZ EDUARDO CAMARGO; PETERLEVITZ, ALFREDO C.; DA SILVA, LEONARDO M.; ZANIN, HUDSON. Pseudocapacitive behaviour of iron oxides supported on carbon nanofibers as a composite electrode material for aqueous-based supercapacitors. JOURNAL OF ENERGY STORAGE, v. 42, OCT 2021. (17/11958-1, 14/02163-7, 18/20756-6)

AMARAL, MURILO M.; YUKUHIRO, VICTOR Y.; VICENTINI, RAFAEL; PETERLEVITZ, ALFREDO C.; DA SILVA, LEONARDO M.; FERNANDEZ, PABLO; ZANIN, HUDSON. Direct observation of the CO2 formation and C-H consumption of carbon electrode in an aqueous neutral electrolyte supercapacitor by in-situ FTIR and Raman. JOURNAL OF ENERGY CHEMISTRY, v. 71, p. 9-pg., 2022-08-01. (16/25082-8, 17/11958-1, 18/20756-6, 20/04431-0, 17/11986-5, 14/02163-7, 18/02713-8, 20/04281-8)

FREITAS, BRUNO; NUNES, WILLIAN G.; REAL, CARLA G.; RODELLA, CRISTIANE B.; DOUBEK, GUSTAVO; DA SILVA, LEONARDO M.; THAINES, ERICSON H. N. S.; POCRIFKA, LEANDRO A.; FREITAS, RENATO G.; ZANIN, HUDSON. Combining in situ electrochemistry, operando XRD & Raman spectroscopy, and density functional theory to investigate the fundamentals of Li₂CO₃ formation in supercapacitors. JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A, v. 11, n. 38, p. 15-pg., 2023-10-04. (17/11958-1, 18/20756-6, 14/02163-7)

VENANCIO, RAISSA; VICENTINI, RAFAEL; PINZON, C. MANUEL J.; CORREA, DEBORA A.; MIRANDA, ANDRE N.; QUEIROZ, ADRIANA C.; DEGASPERI, FRANCISCO TADEU; SIQUEIRA, LEONARDO J. A.; DA SILVA, LEONARDO M.; ZANIN, HUDSON. Combining electrochemical, molecular simulation and operando techniques to investigate the stability of electrodes and organic electrolytes used in EDLCs. ENERGY STORAGE MATERIALS, v. 62, p. 15-pg., 2023-09-05. (19/18125-0, 17/11958-1, 18/20756-6)

RUFINO JUNIOR, CARLOS ANTONIO; SANSEVERINO, ELEONORA RIVA; GALLO, PIERLUIGI; KOCH, DANIEL; SCHWEIGER, HANS-GEORG; ZANIN, HUDSON. Blockchain review for battery supply chain monitoring and battery trading. RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS, v. 157, p. 26-pg., 2022-04-01. (17/11958-1, 14/02163-7, 18/20756-6)

Publicações acadêmicas

(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)

NUNES, Willian Gonçalves. Development of pseudocapacitors from composites of metal oxides and carbon materials. 2023. Tese de Doutorado - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Campinas, SP.