DESENVOLVIMENTO DE SUPERCAPACITORES ASSIMÉTRICOS DE ALTA PERFORMANCE COM ÓXIDOS METÁLICOS DOPADOS COM NANOFOLHAS DE NITRETO DE CARBONO GRAFÍTICO

Abstract

With high technological development and the extensive exploitation of different forms of electric power generation, there was a need for the development of more versatile and efficient energy storage devices. Supercapacitors are promising in this gap and have been the focus of various research institutions around the world. With this, this work aims to demonstrate the manufacture of different electrodes coated with transition metal oxides doped with g-C3N4, in order to build supercapacitors with good electrochemical performance, energy storage and efficiency. The synthesis of five transitional metal oxides (M = Cu, Mn, Co, Ni, Fe) doped with graphite carbon nitrite (g-C3N4) was carried out by thermal polymerization, with the aim of manufacturing active materials for electrode coating. All electrodes used the same concentration of 6 mol of KOH as electrolyte as this concentration showed good pseudocapacitive behavior for all samples. The g-C3N4 was used to increase the surface area of the coating, and this resulted in better adhesion of metal oxides, providing more electroactive locations for the Faradaic reactions. Various analysis techniques were employed, such as: Cyclic Voltometry, Galvanostatic Charge-Discharge, EIS, XRD, FTIR, FESEM e EDS. According to the presented results, g-C3N4/NiO demonstrated the highest specific capacitance (815.6 F/g), with good cyclical stability at different scanning rates, as well as the higher Coulombic efficiency (85%) at 0.5 A/g among the five electrodes analyzed. The electrochemical performance of the iron oxide-coated electrode (g-C3N4/Fe2O3) showed optimum capacitance (697.5 F/g) compared to the other four coated electrodes. The cobalt oxide electrode (g-C3N4/CoO) and manganese (g-C3N4/MnO2) reached 458.3 and 436.3 F/g, respectively, and the copper oxide (g-C3 N4/CuO) achieved 154.5 F/g. All five coated electrodes obtained good values of coulombic efficiency compared to the literature, having values ranging per electrode from 75.2% to 85%. The analysis by Impedance Spectroscopy demonstrated, through the Nyquist diagram, that the five electrodes with the metal oxides showed capacity for storage (or retention) of loads, in addition to the high values of energy density achieved through the nickel oxide (18.8 Wh/kg) and manganese (22.2 Wh/ kg). The results revealed that electrodes coated with graphite carbon nitrite with metal oxide are promising in the application of supercapacitors, showing interesting pseudocapacitive and EDLC characteristics

Com o elevado desenvolvimento tecnológico e a vasta exploração de diferentes formas de geração de energia elétrica, houve a necessidade do desenvolvimento de dispositivos armazenadores de energia mais versáteis e eficientes. Os supercapacitores enquadram-se de maneira promissora nessa lacuna e t ˆem sido o foco de diversas instituições de pesquisa ao redor do mundo. Com isso, este trabalho tem como objetivo demonstrar a fabricação de diferentes eletrodos revestidos com óxidos metálicos de transição dopados com g-C3N4, a fim de construir supercapacitores com boas características eletroquímicas, armazenamento de energia e eficiência. A síntese de cinco óxidos metálicos de transição (M = Cu, Mn, Co, Ni, Fe) dopado com nitreto de carbono grafítico (g-C3N4) foi realizada por polimerização térmica, com o intuito de fabricarmos materiais ativos para revestimento de eletrodos. Todos os eletrodos utilizaram a mesma concentração de 6 mols de KOH como eletrolito, pois essa concentração apresentou bons comportamentos pseudocapacitivos para todas as amostras. O g-C3N4 foi usado para aumentar a área de superfície do revestimento, e isso resultou na melhor aderência dos óxidos metálicos, fornecendo mais locais eletroativos para as reações Faradaicas. Foram empregadas diversas técnicas de análise, tais como: Voltametria Clica, Carga-Descarga Galvanost´ atica, EIS, XRD, FTIR, FESEM e EDS. Como resultado deste trabalho, o g-C3N4/NiO foi o que demonstrou a mais alta capacitância específica (815,6 F/g), além de uma boa estabilidade cíclica em diferentes taxas de varredura. O g-C3N4/NiO, apresentou a maior eficiência Coulômbica (85%) em 0,5 A/g entre os cinco eletrodos analisados. No desempenho eletroquímico, o eletrodo revestido com ´oxido de ferro (g-C3N4/Fe2O3) foi o que apresentou a melhor capacitância (697,5 F/g) em comparação aos outros quatro eletrodos revestidos. O eletrodo de oxido de cobalto (g-C3N4/CoO) e manganês (g-C3N4/Mn3O2) alcançaram 458,3 e 436,3 F/g, respectivamente, e o oxido de cobre (g-C3N4/CuO) atingiu 154,5 F/g. Todos os cinco eletrodos revestidos obtiveram bons valores de eficiência coulômbica em comparação com a literatura, tendo os valores variando por eletrodo de 75,2% a 85%. A analise por EIS demonstrou, através do diagrama de Nyquist, que os cinco eletrodos com os óxidos metálicos apresentaram capacidade de armazenamento (ou retenção) de cargas, alem dos elevados valores de densidade de energias alcançados através dos eletrodos de ´oxido de níquel (18,8 Wh/kg) e manganês (22,2 Wh/kg). Os resultados revelaram que os eletrodos revestidos de nitreto de carbono grafítico com oxido de metal são promissores na aplicação de supercapacitores, apresentando interessantes características peseudocapacitivas e EDLC.