Preparação de heteroarquiteturas contendo óxido de grafeno, polímeros condutores e dióxido de manganês: aplicação em supercapacitores de alta performance

dc.contributor.advisor1Garcia, Jarem Raul
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9658977583910054
dc.contributor.authorMarciniuk, Gustavo
dc.contributor.instituicao-banca1Universidade Federal do ABC (UFABC)
dc.contributor.instituicao-banca2Universidade Federal Fluminense (UFF)
dc.contributor.instituicao-banca3Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)
dc.contributor.instituicao-banca4Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)
dc.contributor.referee1Venâncio, Everaldo Carlos
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7562128593261814
dc.contributor.referee2Ponzio, Eduardo Ariel
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/6067138956481622
dc.contributor.referee3Lara, Lucas Stori de
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/2054552041766094
dc.contributor.referee4Souza, Éder Carlos Ferreira de
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/8972485564313775
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/2407590749163560
dc.date.accessioned2026-04-16T20:32:32Z
dc.date.accessioned2026-06-24T19:37:33Z
dc.date.issued2020-07-24
dc.description.abstractOne of the main problems generated by the current growing in energy demand lies in the low storage efficiency of energy generated by clean and renewable sources, making the use of fossil fuels, increasingly scarce and highly polluting, remain as the main energy source. The development of high performance, low-cost supercapacitors is identified as a key factor in solving the problems of storage and conversion of clean energy into intermittent electrical energy, capable of being widely used. Thus, this work refers to the development of supercapacitor electrodes formed by different pseudocapacitive materials whose different construction methodologies allowed a wide view of the factors capable of influencing the capacitive behavior. On a first stage, after structural characterizations, high thickness electrodes were prepared, formed by hybrid binary composites resulting from the proportional combination between GO and α-MnO2 and GO and polyaniline (emeraldine salt). Its electrochemical characterizations revealed a specific capacitance value of 279.8 F g-1 for the 25% GO and 75% α-MnO2 composite, with a capacitive efficiency of 99.7% and 91% of retention after 1000 charge and discharge cycles. The GO/PAni composite with the same proportions presented specific capacitance value of 511.1 F g-1, capacitive efficiency of 91.2%and 83% retention after 1000 cycles. On a second stage, electrodes formed by the electrodeposition of MnO2 thin films over pyrolytic graphite rods expanded surface, showed a profile of improvement in capacitive behavior with increasing electrodeposited mass, reaching274.25 F g-1 for a mass of only 0.41mg of MnO2 on the electrode; an improvement of about 600% in relation to the high mass electrodes previously evaluated. Finally, using electrochemical analyzes and classical molecular dynamics simulations, the influence on the capacitive response of α-MnO2 electrodes (drop coating on glassy carbon) caused by the substitution of the alkali metal cation in neutral aqueous electrolytes, was evaluated. Among allthe analyzed ions, K+ presented the best intercalation density in the 2x2 tunnel structure of αMnO2, such behavior resulting from its greater ion mobility, molar conductivity and lower solvation sphere, providing the electrode highest specific capacitance value.
dc.description.resumoUm dos principais problemas gerados pela crescente demanda energética atual reside na baixa eficiência de armazenamento da energia gerada por fontes limpas e renováveis, fazendo com que o uso de combustíveis fósseis, cada vez mais escasso e altamente poluente, permaneça como a principal fonte energética. Neste sentido, o desenvolvimento de supercapacitores de alta performance e baixo custo é apontado como um fator chave na solução dos problemas de armazenamento e conversão das energias limpas em energia elétrica intermitente, capaz de ser amplamente utilizada. Assim, neste trabalho buscou-se desenvolver eletrodos de supercapacitores formados por diferentes materiais pseudocapacitivos, cujas variadas metodologias de construção permitiram uma ampla visão dos fatores capazes de influenciar no comportamento capacitivo. Em uma primeira etapa, após caracterizações estruturais, foram desenvolvidos eletrodos de alta massa/espessura formados por compósitos híbridos binários, provenientes da combinação proporcional entre OG e α-MnO2 e OG e polianilina (sal de esmeraldina). Suas caracterizações eletroquímicas revelaram um valor de capacitância específica de 279,8 Fg-1 para o compósito 25% OG e 75% α-MnO2, com eficiência capacitiva de 99,7% e retenção de 91% após 1000 ciclos de carga e descarga. O compósito de mesmas proporções OG e PAni, apresentou 511,1 F g-1, com eficiência de 91,2% e retenção após 1000 ciclos de 83%. Em uma segunda etapa, eletrodos formados pela eletrodeposição de filmes finos de MnO2 sobre a superfície expandida de tarugos de grafite pirolítico, apresentaram um perfil crescente na melhora do comportamento capacitivo com o aumento da massa depositada, atingindo 274,25 Fg-1 para uma massa eletrodepositada de apenas 0,41mg, melhora de cerca de 600% em relação aos eletrodos de elevada massa anteriormente avaliados. Por fim, via análises eletroquímicas e simulações de dinâmica molecular clássica, avaliou-se a influência na resposta capacitiva de eletrodos de α-MnO2 (drop coating sobre carbono vítreo), causada pela substituição do cátion de metal alcalino em eletrólitos aquosos neutros. Dentre os íons Li+, Na+e K+ analisados, o último apresentou uma melhor densidade de intercalação na estrutura de túneis 2x2 do α-MnO2, comportamento resultante de sua maior mobilidade iônica, condutividade molar e menor esfera de solvatação, fornecendo ao eletrodo maior valor decapacitância específica.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.identifier.citationMARCINIUK, Gustavo. Preparação de heteroarquiteturas contendo óxido de grafeno, polímeros condutores e dióxido de manganês: Aplicação em supercapacitores de alta performance. 2020. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2020.
dc.identifier.urihttps://ri.uepg.br/handle/123456789/1186
dc.language.isopt
dc.rightshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectsupercapacitores
dc.subjectcompósitos híbridos binários
dc.subjectα-MnO2
dc.subjectpolianilina
dc.subjectóxido de grafeno
dc.subjectsupercapacitors
dc.subjecthybrid binary composites
dc.subjectpolyaniline
dc.subjectgraphene oxide
dc.titlePreparação de heteroarquiteturas contendo óxido de grafeno, polímeros condutores e dióxido de manganês: aplicação em supercapacitores de alta performance
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