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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Filmes finos baseados em hexacianoferratos de ferro e bismuto e nanomateriais de carbono para aplicação em dispositivos de armazenamento de energia
Alternate title (s): Thin films based on iron and bismuth hexacyanoferrates and carbon nanomaterials for application in energy storage devices
Author: Peixoto, Diego Alves
First Advisor: Nossol, Edson
First coorientator: Lima, Renata Cristina de
First member of the Committee: Kikuti, Elaine
Second member of the Committee: Guerra, Wendell
Third member of the Committee: Nossol, Edson
Fourth member of the Committee: Fonsaca, Jéssica Eliza Silva
Fifth member of the Committee: Trigueiro, João Paulo Campos
Summary: O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento e a caracterização de filmes finos nanocompósitos baseados em hexacianoferratos de ferro (HCFFe) e de bismuto (HCFBi), combinados com nanomateriais de carbono (nanotubos de carbono e óxido de grafeno reduzido) visando à aplicação em baterias aquosas recarregáveis. A motivação do estudo está relacionada à crescente demanda por tecnologias de armazenamento de energia eficientes, seguras e de baixo custo, como as baterias recarregáveis de eletrólito aquoso, que se apresentam como alternativas promissoras às baterias de íon lítio devido à abundância de metais como sódio e potássio, além da maior segurança intrínseca dos sistemas aquosos. Os filmes nanocompósitos (HCFFe/NTC, HCFFe/rGO, HCFBi/NTC e HCFBi/rGO) foram preparados por meio do método de síntese interfacial líquido-líquido. Este método permitiu a obtenção de estruturas íntegras, embora com distribuição composicional irregular, na interface entre tolueno e água, facilitando sua posterior transferência para substratos de ITO. Os materiais foram caracterizados estrutural e morfologicamente por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão. As análises confirmaram a formação de nanopartículas de HCFFe e micropartículas de HCFBi distribuídas nas matrizes de carbono, sendo observada para o HCFBi uma morfologia inédita em formato de losango. O desempenho eletroquímico dos filmes foi otimizado por meio de um planejamento fatorial 2³, avaliando a influência do tipo de cátion (Na+ ou K+), do pH e da concentração do eletrólito. Os resultados de voltametria cíclica, aliados ao método de Dunn, indicaram que o filme de HCFFe/rGO apresentou comportamento predominantemente faradaico associado à intercalação iônica, enquanto o filme de HCFBi/rGO exibiu contribuições capacitiva e pseudocapacitiva mais pronunciadas. Nos ensaios de carga e descarga galvanostática, o compósito HCFFe/rGO atingiu uma capacidade específica de 160 mA h g-1, enquanto o HCFBi/NTC, apesar de apresentar menor capacidade específica (35,85 mA h g-1), demonstrou notável estabilidade cíclica após 300 ciclos. Adicionalmente, o filme de HCFBi/rGO apresentou capacitância específica de 113,30 F g-1, evidenciando seu potencial para aplicação em capacitores.
Abstract: The objective of this work was the development and characterization of nanocomposite thin films based on iron (HCFFe) and bismuth (HCFBi) hexacyanoferrates combined with carbon nanomaterials (carbon nanotubes and reduced graphene oxide) for application in aqueous rechargeable batteries. The motivation of this study stems from the growing demand for efficient, safe, and low-cost energy storage technologies, such as aqueous electrolyte rechargeable batteries, which emerge as promising alternatives to lithium-ion batteries due to the abundance of metals like sodium and potassium, in addition to the higher intrinsic safety of aqueous systems. The nanocomposite films (HCFFe/NTC, HCFFe/rGO, HCFBi/NTC, and HCFBi/rGO) were prepared using the liquid-liquid interfacial synthesis method. This method allowed the attainment of integral structures, albeit with an irregular compositional distribution, at the toluene-water interface, facilitating their subsequent transfer onto ITO substrates. The materials were structurally and morphologically characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy. The analyses confirmed the formation of HCFFe nanoparticles and HCFBi microparticles distributed within the carbon matrices, and an unprecedented diamond-shaped morphology was observed for HCFBi. The electrochemical performance of the films was optimized through a 23 factorial design, evaluating the influence of the cation type (Na+ or K+), pH, and electrolyte concentration. Cyclic voltammetry results, combined with Dunn’s method, indicated that the HCFFe/rGO film exhibited a predominantly faradaic behavior associated with ion intercalation, whereas the HCFBi/rGO film showed more pronounced capacitive and pseudocapacitive contributions. In galvanostatic charge-discharge tests, the HCFFe/rGO composite reached a specific capacity of 160 mA h g-1, while HCFBi/NTC, despite presenting a lower specific capacity (35.85 mA h g-1), demonstrated remarkable cycling stability after 300 cycles. Additionally, the HCFBi/rGO film presented a specific capacitance of 113.30 F g-1, highlighting its potential for capacitor applications.
Keywords: hexacianoferratos
hexacyanoferrates
óxido de grafeno reduzido
reduced graphene oxide
nanotubos de carbono
carbon nanotubes
bismuto
bismuth
ferro
iron
baterias aquosas
aqueous batteries
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::DETERMINACAO DE ESTRUTURA DE COMPOSTOS INORGANICOS
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::CAMPOS DE COORDENACAO
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICA
Subject: Química
Grafeno
Bismuto
Ferro
Materiais nanoestruturados
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Quote: PEIXOTO, Diego Alves. Filmes finos baseados em hexacianoferratos de ferro e bismuto e nanomateriais de carbono para aplicação em dispositivos de armazenamento de energia. 2026. 125 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.230.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.230
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49008
Date of defense: 27-Feb-2026
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
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