Tese
Filmes de polianilina depositados por método de banho químico assistido por ultrassom : efeito da concentração de ácido sobre propriedades eletroquímicas
Ultrasound-assisted chemical deposition of polyaniline films: effect of acid concentration on the electrochemical properties
Registro en:
SOUZA, Marcos Fabio Farias. Filmes de polianilina depositados por método de banho químico assistido por ultrassom : efeito da concentração de ácido sobre propriedades eletroquímicas. 2023. 92 f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2023.
Autor
Souza, Marcos Fabio Farias
Institución
Resumen
The growth of renewable energy's share in the global energy mix increases the
demand for energy storage technologies to overcome intermittency in wind and solar
power generation. In this context, supercapacitors stand out as an intermediate
technology between conventional capacitors and rechargeable batteries. Polyaniline
(PANI) is a conductive polymer with promising properties for applications as an
electrode material in supercapacitors, such as high specific capacitance and good
electrical conductivity. However, it exhibits low cyclic stability, so PANI-based
electrode materials are widely studied, either in doped form or as composites, to
improve cyclic stability. Therefore, in the present study, the effect of sulfuric acid
concentration (dopant) on the structural, morphological, and electrochemical properties of PANI films deposited on stainless steel substrates through ultrasound-assisted
chemical bath deposition was evaluated for supercapacitor study. Structural
characterization of the films by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and
ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy revealed that polyaniline was obtained in the
emeraldine form. The lower acid concentration led to a granular morphology, while the
higher concentration resulted in a predominance of porous fiber networks, as observed
by scanning electron microscopy (SEM) analysis. Cyclic voltammetry (CV) identified
the redox process and demonstrated the pseudocapacitive behavior of the films.
Galvanostatic charge-discharge tests indicated that higher acid concentration in the reaction medium led to higher specific capacitance, with a maximum value of 531 F g-1.
The higher acid concentration was also associated with lower charge transfer resistance,
improved capacitive behavior, and higher capacitance at low frequency, according to
the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results. Finally, a symmetric
supercapacitor device was assembled using electrodes synthesized with the highest acid
concentration. The potential for application in supercapacitors was highlighted energy
and power density values of 11.5 Wh/kg and 241 W/kg at 0.5 A g-1, respectively.
Additionally, it demonstrated excellent cyclic stability, achieving a capacitance
retention of 106% after 1000 continuous charge and discharge cycles at 5 A g-1. O crescimento da participação das energias renováveis na matriz energética
mundial eleva a demanda por tecnologias de armazenamento de energia para superar a
intermitência na geração das energias eólica e solar. Nesse contexto, os
supercapacitores se destacam como uma tecnologia intermediária entre os capacitores
convencionais e as baterias recarregáveis. A polianilina (PANI) é um polímero
condutor com propriedades promissoras para aplicações como material eletrodo em
supercapacitores, tais como alta capacitância específica e boa condutividade elétrica.
E apesar de apresentar estabilidade cíclica relativamente baixa, há estudos que
indicam efeito positivo do nível de dopagem da polianilina sobre essa estabilidade e a
capacitância específica do eletrodo. Sendo assim, no presente trabalho avaliou-se o
efeito da concentração de ácido sulfúrico (dopante) sobre as propriedades estrutural,
morfológica e eletroquímica dos filmes de polianilina depositados sobre substratos de
aço inox pela deposição de banho químico assistida por ultrassom para estudo de
supercapacitores. A caracterização estrutural dos filmes pelas espectroscopias na
região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e no ultravioleta-visível
(UV-vis) revelou que a polianilina foi obtida na forma esmeraldina. A menor
concentração de ácido conduziu à morfologia granular enquanto a maior concentração
levou a predominância de rede de fibras porosas, como constatado pelas análises de
microscopia eletrônica de varredura (MEV). A voltametria cíclica (VC) permitiu a
identificação do processo redox e evidenciou o comportamento pseudocapacitivo dos
filmes. Os testes de carga e descarga galvanostática indicaram que quanto maior a
concentração de ácido no meio reacional, maior também a capacitância específica
cujo valor máximo atingido foi de 531 F g-1. A maior concentração de ácido foi
também relacionada à menor resistência à transferência de carga, melhor
comportamento capacitivo bem como maior capacitância em baixa frequência de
acordo com os resultados de impedância eletroquímica (EIE). Ao final, houve a
montagem de um dispositivo supercapacitor simétrico utilizando eletrodos
sintetizados na maior concentração de ácido. O potencial de aplicação em
supercapacitores foi evidenciado com a obtenção dos valores de densidade de energia
e de potência de 11,5 Wh/kg e 241 W/kg em 0,5 A g-1, respectivamente. Além disso,
demonstrou excelente estabilidade cíclica, alcançando uma retenção de capacitância
de 106% após 1000 ciclos contínuos de carga e descarga a 5 A g-1. São Cristóvão