Síntese de nanoestruturas à base de grafeno para aplicação em supercapacitadores

Abstract

Supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia que tem tido muita atenção nas últimas décadas e são considerados promissores para trabalhar em conjunto ou para substituir as baterias, tendo as vantagens de: ter longos ciclos de vida, altas densidades de potência e taxas de carga e descarga rápidas. Com a aplicação das nanoestruturas à base de grafeno como eletrodo, estes dispositivos tornaram-se ainda mais promissores. Considerando-se a variedade de métodos para síntese dessas nanoestruturas, a presente dissertação teve como objetivos a avaliação de duas rotas de síntese de nanoestruturas à base de grafeno na eficiência dos eletrodos de supercapacitores: (a) esfoliação química do grafite (seguida de redução química do óxido de grafeno gerado com ácido ascórbico e etapas adicionais de redução térmica a vácuo e por micro-ondas) e (b) ação de um arco voltaico em reagente orgânico por meio de um gerador de plasma frio. Avaliou-se também o efeito da presença de ureia como agente dopante de nitrogênio. Para caracterizar estes materiais foram utilizadas as técnicas de: análise termogravimétrica, fluorescência de raios X, difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão. Os materiais sintetizados foram utilizados como material ativo para eletrodos de supercapacitores que foram caracterizados eletricamente por voltametria cíclica. Os valores de capacitância obtidos foram comparados com valores de capacitância de um supercapacitor comercial à base de carvão ativado e de um supercapacitor à base de óxido de grafeno reduzido obtido comercialmente. Os resultados obtidos indicaram que a metodologia de esfoliação química do grafite foi efetiva para obtenção de óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido de poucas camadas e que a realização de etapas de redução térmica promove a eliminação de grupos funcionais. A síntese por plasma a frio permitiu a síntese de grafeno em uma única etapa. Os supercapacitores à base dos nanomateriais de grafeno demonstraram grande estabilidade, quando comparados com supercapacitores de carbono ativado de origem comercial, sendo que a dopagem com ureia se mostrou eficiente para aumentar a capacitância desses dispositivos. O material produzido por plasma frio apresentou maior valor de capacitância em corrente constante nas medidas realizadas em ensaios de meia célula quando comparado com o grafeno comercial.