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Tipo de Documento: Tese
Título: Filmes de polianilina depositados por método de banho químico assistido por ultrassom : efeito da concentração de ácido sobre propriedades eletroquímicas
Título(s) alternativo(s): Ultrasound-assisted chemical deposition of polyaniline films: effect of acid concentration on the electrochemical properties
Autor(es): Souza, Marcos Fabio Farias
Data do documento: 28-Fev-2023
Orientador: Gimenez, Iara de Fátima
Resumo: O crescimento da participação das energias renováveis na matriz energética mundial eleva a demanda por tecnologias de armazenamento de energia para superar a intermitência na geração das energias eólica e solar. Nesse contexto, os supercapacitores se destacam como uma tecnologia intermediária entre os capacitores convencionais e as baterias recarregáveis. A polianilina (PANI) é um polímero condutor com propriedades promissoras para aplicações como material eletrodo em supercapacitores, tais como alta capacitância específica e boa condutividade elétrica. E apesar de apresentar estabilidade cíclica relativamente baixa, há estudos que indicam efeito positivo do nível de dopagem da polianilina sobre essa estabilidade e a capacitância específica do eletrodo. Sendo assim, no presente trabalho avaliou-se o efeito da concentração de ácido sulfúrico (dopante) sobre as propriedades estrutural, morfológica e eletroquímica dos filmes de polianilina depositados sobre substratos de aço inox pela deposição de banho químico assistida por ultrassom para estudo de supercapacitores. A caracterização estrutural dos filmes pelas espectroscopias na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e no ultravioleta-visível (UV-vis) revelou que a polianilina foi obtida na forma esmeraldina. A menor concentração de ácido conduziu à morfologia granular enquanto a maior concentração levou a predominância de rede de fibras porosas, como constatado pelas análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV). A voltametria cíclica (VC) permitiu a identificação do processo redox e evidenciou o comportamento pseudocapacitivo dos filmes. Os testes de carga e descarga galvanostática indicaram que quanto maior a concentração de ácido no meio reacional, maior também a capacitância específica cujo valor máximo atingido foi de 531 F g-1. A maior concentração de ácido foi também relacionada à menor resistência à transferência de carga, melhor comportamento capacitivo bem como maior capacitância em baixa frequência de acordo com os resultados de impedância eletroquímica (EIE). Ao final, houve a montagem de um dispositivo supercapacitor simétrico utilizando eletrodos sintetizados na maior concentração de ácido. O potencial de aplicação em supercapacitores foi evidenciado com a obtenção dos valores de densidade de energia e de potência de 11,5 Wh/kg e 241 W/kg em 0,5 A g-1, respectivamente. Além disso, demonstrou excelente estabilidade cíclica, alcançando uma retenção de capacitância de 106% após 1000 ciclos contínuos de carga e descarga a 5 A g-1.
Abstract: The growth of renewable energy's share in the global energy mix increases the demand for energy storage technologies to overcome intermittency in wind and solar power generation. In this context, supercapacitors stand out as an intermediate technology between conventional capacitors and rechargeable batteries. Polyaniline (PANI) is a conductive polymer with promising properties for applications as an electrode material in supercapacitors, such as high specific capacitance and good electrical conductivity. However, it exhibits low cyclic stability, so PANI-based electrode materials are widely studied, either in doped form or as composites, to improve cyclic stability. Therefore, in the present study, the effect of sulfuric acid concentration (dopant) on the structural, morphological, and electrochemical properties of PANI films deposited on stainless steel substrates through ultrasound-assisted chemical bath deposition was evaluated for supercapacitor study. Structural characterization of the films by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy revealed that polyaniline was obtained in the emeraldine form. The lower acid concentration led to a granular morphology, while the higher concentration resulted in a predominance of porous fiber networks, as observed by scanning electron microscopy (SEM) analysis. Cyclic voltammetry (CV) identified the redox process and demonstrated the pseudocapacitive behavior of the films. Galvanostatic charge-discharge tests indicated that higher acid concentration in the reaction medium led to higher specific capacitance, with a maximum value of 531 F g-1. The higher acid concentration was also associated with lower charge transfer resistance, improved capacitive behavior, and higher capacitance at low frequency, according to the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results. Finally, a symmetric supercapacitor device was assembled using electrodes synthesized with the highest acid concentration. The potential for application in supercapacitors was highlighted energy and power density values of 11.5 Wh/kg and 241 W/kg at 0.5 A g-1, respectively. Additionally, it demonstrated excellent cyclic stability, achieving a capacitance retention of 106% after 1000 continuous charge and discharge cycles at 5 A g-1.
Palavras-chave: Polimerização
Polianilinas
Capacitores
Polimerização assistida por ultrassom
Sal esmeraldina
Deposição por banho químico
Supercapacitor
Desempenho supercapacitivo
Ultrasound-assisted polymerization
Emeraldine salt
Chemical bath deposition
Supercapacitive performance
área CNPQ: ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Citação: SOUZA, Marcos Fabio Farias. Filmes de polianilina depositados por método de banho químico assistido por ultrassom : efeito da concentração de ácido sobre propriedades eletroquímicas. 2023. 92 f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2023.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/18196
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