Realizado em Goiânia/GO, de 04 a 06 de Setembro de 2017.
ISBN: 978-85-85905-20-0
TÍTULO: α-Ni(OH)2/GO como material promissor para dispositivos eletroquímicos de armazenamento de energia
AUTORES: Moraes Alves, K. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS) ; Martins, P.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS)
RESUMO: Hidróxido de níquel e grafeno oxidado (GO) foram sintetizados e
caracterizados por difração de raios-X. Eletrodos de FTO baseados em Ni(OH)2
e GO/Ni(OH)2 foram desenvolvidos e seu comportamento eletroquímico foi
verificado através de voltametria cíclica. Através do difratograma de raios-
X de pó foi possível determinar que o Ni(OH)2 encontra-se na fase alfa, bem
como apresenta um tamanho médio de cristalito de 3,63 nm. Ao final de 500
ciclos voltamétricos o eletrodo de FTO/Ni(OH)2 apresentou uma capacidade de
carga de 0,83 mC enquanto que o eletrodo de FTO/GO/Ni(OH)2 apresentou uma
extraordinária capacidade de carga de 5,94 mC. Estes resultados demonstram
que o α-Ni(OH)2 associado ao grafeno oxidado é um material promissor para o
desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia.
PALAVRAS CHAVES: Energia; Hidróxido de níquel ; Grafeno oxidado
INTRODUÇÃO: Supercapacitores caracterizam-se por possuírem um longo ciclo de vida, altas
taxas de carga/descarga, além de ter uma ampla faixa de temperatura
operacional quando comparada, por exemplo, a baterias. Devido a estas
características, estes dispositivos estão sendo estudados para a utilização
em veículos híbridos, eletrônicos portáteis, entre outros (WANG et al, p. 180, 2017).
Supercapacitores ou pseudocapacitores tem sua carga originária de reações
faradáicas (oxidação e redução) que ocorrem nos materiais presentes no
eletrodo, dentre estes materiais podemos destacar os óxidos, hidróxidos e
polímeros condutores (LIU et al, p. 1, 2017). Entre esses materiais o hidróxido de níquel tem se
apresentado um material promissor para a utilização em eletrodos.
O hidróxido de níquel possui polimorfismo e pode ser encontrado em duas
fases (alfa e beta) no estado reduzido. Por apresentar uma maior
desordem e distanciamento entre as lamelas, o α-Ni(OH)2 possui um
comportamento eletroquímico superior a fase β (VIDOTTI et al, p. 2176, 2010).
Dentre os materiais baseados em carbono (nanotubos de carbono, fulereno e
grafeno) o grafeno tem se destacado devido à sua extraordinária área
superficial de 2630 m2/g (LV et al, p. 107, 2016) e capacitância eletroquímica de ~21 µF/cm2.
Por possuir estas características o grafeno tem sido
utilizado em conjunto com outros nanomateriais baseados em óxidos/hidróxidos
metálicos para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de
energia.
Neste sentido foram desenvolvidos eletrodos de FTO modificados com Ni(OH)2,
bem como associados a grafeno oxidado com o intuito de melhorar as suas
características eletroquímicas, afim de obter nanomateriais com uma
capacitância elevada, para o desenvolvimento de supercapacitores.
MATERIAL E MÉTODOS: 4,82 mmols de acetato de níquel foram solubilizados em 25,0 mL de glicerina.
A esta solução foi adicionada lentamente e sob agitação 9,64 mmols, de uma
solução 0,1 mol L-1 de KOH em álcool butílico. A agitação foi mantida por
seis horas. O grafite oxidado (GO) foi sintetizado através do método Hummers
modificado (CHEN et al, p. 9, 2017). O Ni(OH)2 e o GO foram caracterizados por difração de raios-X de pó. Para a preparação dos eletrodos de FTO (flúor dopado com estanho) / Ni(OH)2 e GO/Ni(OH)2, foi delimitada uma área de 1,0 cm2 na
superfície do eletrodo de FTO com o auxílio de uma fita adesiva. 20 μL do
Ni(OH)2 foi dispensado sobre a superfície do eletrodo de FTO e o filme foi
obtido através da técnica de spin-coating (1000 rpm por 2 min). Em seguida,
o eletrodo foi submetido a um tratamento térmico a 240°C por 30 minutos.
Para a deposição de GO o eletrodo FTO foi modificado por uma solução
etanólica 1% de 3-aminopropiltrietoxisilano. 10 μL da dispersão de GO
(1mg/1ml em etanol) foi dispensada sobre a superfície modificada do eletrodo
de FTO e o filme foi obtido por spin-coating (750 rpm por 1 minuto), após
este período o eletrodo foi novamente modificado com o Ni(OH)2. O
comportamento eletroquímico do eletrodo de FTO/Ni(OH)2 e do FTO/GO/Ni(OH)2
foi verificado através de voltametria cíclica. As análises voltamétricas
foram obtidas em meio aquoso, utilizando um sistema convencional de três
eletrodos, constituído por um eletrodo de trabalho (eletrodo de FTO
modificado), um eletrodo de referência Ag/AgCl (KCl 1,0 mol L-1) e um
eletrodo auxiliar de fio de platina. Os estudos voltamétricos envolvendo os
filmes foram realizados em uma faixa de potencial de +0,15 a +0,55 V, em
eletrólito suporte KOH 1,0 mol L-1 e velocidade de varredura de 30 mV/s.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A figura 1 apresenta o difratograma de raios-X para o grafite oxidado e
Ni(OH)2. Para o grafite oxidado (Fig 1 (A)) foi observado apenas um pico
basal (002) em 2θ = 10,89°. Para o Ni(OH)2 (Fig. 1(B)) foram observados 3
picos de difração, em 2θ = 10,39° (003); 34,21° (101) e 60,79° (110). Como o
pico basal (003) é encontrado em baixos ângulos de 2θ podemos afirmar que o
material apresenta-se na fase alfa (Wang et al, p. 141, 2017). O tamanho das
partículas para o Ni(OH)2 foi calculado utilizando a equação de Debye-
Scherrer, através de um ajuste do pico 003 com o auxílio de uma gaussiana
(Fig. 1(B)) e o valor encontrado foi de 3,63 nm. Na figura 2(A) são
apresentados o 100º ciclo voltamétrico do eletrodo de FTO/Ni(OH)2 e
FTO/GO/Ni(OH)2. O voltamograma cíclico do eletrodo de FTO/Ni(OH)2
apresentou um par de ondas redox relacionadas ao processo redox Ni(III/II)
respectivamente em Epa = +0,42 V e Epc = +0,33 V e uma ipa = 0,7 mA,
enquanto que para o eletrodo de FTO/GO/Ni(OH)2 o par redox encontra-se em
Epa = +0,47 V e Epc = +0,30 V e uma ipa = 2,1 mA. Ao final de 500 ciclos
voltamétricos o eletrodo de FTO/Ni(OH)2 apresentou uma capacidade de carga
constante, por volta de 0,8 mC (Fig. 2(B)). Para o eletrodo de
FTO/GO/Ni(OH)2 a capacidade de carga alcançou 5,9 mC ao final dos 500 ciclos
voltamétricos (Fig. 2(B)). Mas ao contrário do eletrodo de FTO/Ni(OH)2 o
eletrodo contendo grafeno oxidado perdeu cerca de 8% de sua capacidade de
carga inicial. A grande capacidade de carga alcançada pelo eletrodo de
FTO/GO/Ni(OH)2 deve-se principalmente ao grande sinergismo entre o hidróxido
de níquel e o grafeno oxidado, como também pela elevada área superficial
característica do grafeno, conferindo a este eletrodo uma capacidade de
carga extraordinária.
DRX grafeno e Ni(OH)2
DRX do grafeno (A) e Ni(OH)2 (B). Inserido na
figura B o ajuste do pico 003 com o auxílio de uma
gaussiana
Voltamogramas do FTO/Ni e FTO/GO/Ni
Em (A) 100º voltamograma cíclico do eletrodo de
FTO/Ni(OH)2 e FTO/GO/Ni(OH)2 e em (B)
capacidade de carga em função do número de
ciclos dos eletrodos.
CONCLUSÕES: A partir do DRX foi possível inferir que o Ni(OH)2 apresenta-se na fase alfa, bem como possui dimensões manométricas. A voltametria cíclica foi utilizada para determinar as capacidades de carga dos eletrodos. O eletrodo de FTO/GO/Ni(OH)2 apresentou uma excelente capacidade de carga ao final de 500 ciclos eletroquímicos, cerca de 7 vezes maior que o eletrodo de FTO/Ni(OH)2, apesar de possuir uma queda de 8% no decorrer dos ciclos eletroquímicos. Assim o eletrodo de FTO/GO/Ni(OH)2 mostrou-se um promissor material de eletrodo para dispositivos eletroquímicos de armazenamento de energia.
AGRADECIMENTOS: Ao CNPq pela bolsa de iniciação científica.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: CHEN, L.; LI, N.; ZHANG, M.; LI, P.; LIN, Z. Effect of preparation methods on dispersion stability and electrochemical performance of graphene sheets. Journal of Solid State Chemistry, n° 249, 9-14, 2017.
LIU, Y.; PENG, X. Recent advances of supercapacitors based two-dimensional materials. Applied materials today, n° 7, 1-12, 2017.
LV, W.; LI, Z.; DENG, Y.; YANG, Q.; KANG, F. Graphene-based materials for electrochemical energy storage devices: Opportunities and challenges. Storage Materials, n° 2, 107-138, 2016.
VIDOTTI, M.; TORRESI, R.; TORRESI, S. Eletrodos modificados por hidróxido de níquel: Um estudo de revisão sobre suas propriedades estruturais e eletroquímicas visando suas aplicações em eletrocatálise, eletrocromismo, e baterias secundárias. Química Nova, n° 33, 2176-2186, 2010.
WANG, N.; ZHAO, P.; ZHANG, Q.; YAO, M.; HU, W. Monodisperse nickel/cobalt oxide compositor hollow spheres with mesoporous shell for hybrid supercapacitor. A facile fabrication and excellent electrochemical performance. Composites part B, n° 113, 141-151, 2017.
WANG, X.; ZHAO, S.; LONG, L.; LU, Q.; ZHU, J.; NAN, C. One-step synthesis of surface-enriched nickel cobalt sulfide nanoparticles on graphene for high-performance supercapacitors. Energy Storage Materials, n° 6, 180-187, 2017.