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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-4066-5114
Tipo do documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Título: Dispositivos de armazenamento de energia aquosos utilizando nanoestruturas de carbono e hexacianoferratos de zircônio e vanádio como catodo
Título(s) alternativo(s): Aqueous energy storage devices employing carbon nanostructures and hexacyanoferrates of zirconium and vanadium as cathodes
Autor(es): Silva, Samuel Carlos
Primeiro orientador: Nossol, Edson
Primeiro membro da banca: Von Poelhsitz, Gustavo
Segundo membro da banca: Kikuti, Elaine
Terceiro membro da banca: Skovroinski, Euzébio
Quarto membro da banca: Domingues, Sergio Humberto
Resumo: Nesse trabalho são propostas rotas sintéticas inteiramente químicas para a produção de sólidos nanocompósitos de hexacianoferrato de zircônio (ZrHCF) e hexacianoferrato de vanádio (VHCF) com óxido de grafeno (OG) e nanotubos de carbono funcionalizados (NTC). O óxido de grafeno foi sintetizado previamente através da esfoliação química do grafite com oxidantes fortes. Os nanotubos foram funcionalizados através da sonicação via ultrassom em soluções ácidas. Cada hexacianoferrato foi preparado por coprecipitação através da adição controlada de soluções precursoras em meios reacionais contendo as nanoestruturas de carbono previamente dispersadas. Dados difratométricos confirmaram a formação de uma estrutura amorfa de ZrHCF e cúbica de face centrada de VHCF. Dados espectroscópicos confirmaram a presença tanto dos hexacianoferratos metálicos quanto nanoestruturas de carbono nos sólidos obtidos, além da composição elementar e estados de oxidação do VHCF. Imagens de microscopia eletrônica de varredura e transmissão demonstraram o contato entre as nanoestruturas de carbono e os hexacianoferratos sintetizados. O sólido de ZrHCF foi utilizado em uma célula eletroquímica de 3 eletrodos com coletores de corrente de grafeno. Essa célula passou por testes de voltametria cíclica e carga e descarga em um eletrólito de H2SO4 com concentração selecionada através de planejamento fatorial, visando demonstrar a viabilidade do ZrHCF como alternativa de catodo para baterias aquosas de próton, com capacidade específica de aproximadamente 100 mAh g-1 e potencial médio de 0,3 V. O sólido de VHCF foi testado em um eletrólito concentrado de ZnCl2 utilizando anodo de Zn metálico em células de 2 e 3 eletrodos. Os resultados indicaram excelente capacidade específica, quando comparada com outros HCF, de até 230 mAh g-1, com 1,0 V de potencial médio e retenção de capacidade de 86% em 1000 ciclos. Diferentes fenômenos na superfície do catodo foram estudados através de diferentes técnicas de caracterização, além da demonstração inédita de intercalação de espécies de cloro na bateria. Testes de célula pacote foram realizados, demonstrando a viabilidade comercial do dispositivo. O compósito de OG/VHCF apresentou 200 mAh g-1 de capacidade específica em apenas 20 ciclos, indicando o potencial de aplicação dos nanocompósitos preparados.
Abstract: This work proposed fully chemical synthetic routes to produce nanocomposite powders of zirconium hexacyanoferrate (ZrHCF) and vanadium hexacyanoferrate (VHCF) with graphene oxide (GO) and functionalized carbon nanotubes (CNT). Graphene oxide was obtained through chemical exfoliation of graphite with strong oxidants. Carbon nanotubes were functionalized through ultrasonic sonication in acid solutions. Each hexacyanoferrate was prepared through coprecipitation using controlled addition of precursor solutions in reactional media containing previous dispersed carbon nanostructures. Diffractometric data confirmed the formation of an amorphous phase of ZrHCF, and face centered cubic structure of VHCF. Spectroscopic data confirmed the presence of both metallic hexacyanoferrates and carbon nanostructures in the powders, in addition to elemental composition and oxidation states of VHCF. Scanning and transmission electron microscopy images demonstrated the contact between carbon nanostructures and synthesized hexacyanoferrates. ZrHCF powder was employed in a 3-electrode electrochemical cell with graphene current collectors. This cell underwent cyclic voltametric and galvanostatic charge discharge experiments in a H2SO4 electrolyte with factorial design defined concentration, aiming to highlight the potential of ZrHCF cathodes as aqueous proton batteries. The cathode exhibited 100 mAh g-1 specific capacity and an average potential of 0,3 V. VHCF powders were evaluated in concentrated ZnCl2 electrolytes with metallic Zn anode in 2 and 3-electrode cells. Results presented excellent specific capacity, when compared to other HCF, up to 230 mAh g-1, 1,0 V of average potential and 86% capacity retention in 1000 cycles, with different surface phenomena being studied through different characterization techniques, with untapped chlorine hosting in the VHCF cathode being demonstrated for the first time. Pouch cell testing was conducted to display the commercial potential of the device. GO/VHCF nanocomposite presented 200 mAh g-1 specific capacity in only 20 cycles, indicating the promising performance of the proposed nanocomposite powders.
Palavras-chave: hexacianoferratos
hexacyanoferrates
óxido de grafeno
graphene oxide
nanotubos de carbono
carbon nanotubes
baterias aquosas
aqueous batteries
próton
proton
zinco
cloro
chloride
Área(s) do CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICA
Assunto: Química
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Química
Referência: SILVA, Samuel Carlos. Dispositivos de armazenamento de energia aquosos utilizando nanoestruturas de carbono e hexacianoferratos de zircônio e vanádio como catodo. 2025. 100 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.143.
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.143
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/45004
Data de defesa: 25-Fev-2025
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS): ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
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