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Tese de Doutorado
DOI
Documento
Autor
Nome completo
Cintia Marques Corrêa
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Torresi, Roberto Manuel (Presidente)
Camilo, Fernanda Ferraz
Petri, Denise Freitas Siqueira
Scalea, Mauro Aquiles La
Título em português
Novos líquido iônico e poli(líquido iônico) para aplicação em dispositivos eletroquímicos
Palavras-chave em português
Eletrocromismo
Éter de coroa
Funcionalização
Líquido iônico
Poli(líquido iônico)
Viologênio
Resumo em português
Líquidos iônicos (LI) e Poli(líquidos íonicos) (PLI) apresentam propriedades moduláveis extremamente interessantes, devido a possibilidade de infinitas combinações entre cátions e ânions, além da possibilidade de funcionalização tanto do cátion quanto do ânion para a inserção de propriedades de interesse, transformando esses LI e PLI em materiais de tarefa específica (task-LI e task-PLI). Nesta tese de doutorado, um PLI sólido, eletrocrômico e inédito foi sintetizado a partir de um LI funcionalizável e polimerizável (brometo de 1-cloropropil-3-vinilimidazólio) e o viologênio 4,4-bipiridina. Essa reação resultou em um monômero que teve sua estrutura intensamente elucidada e, em seguida, foi polimerizado, formando um polieletrólito sólido eletrocrômico estável mecanicamente e termicamente (309 °C). Os estudos espectroeletroquímicos a partir de um filme fino depositado sobre ITO revelaram um processo redox reversível com redução e oxidação nos potenciais de -0.45 e -0,3 V, respectivamente. O processo redox foi acompanhado por variação de coloração de transparente (estado totalmente oxidado) para roxo (estado reduzido/cátion radical) com contraste ótico de 19 % (525 nm), switching time de 20 s e eficiência da coloração (CE) de 60 cm2 C-1. A estabilidade eletroquímica do filme foi estudada via cronoamperometria e o material permaneceu eletroativo e eletrocrômico por 4 horas e 400 ciclos sem perdas consideráveis de eletroatividade. Além disso, mesmo após 16 h e 1600 ciclos o material apresentou eletroatividade com um decréscimo pequeno de corrente e variação de transmitância. Adicionalmente, o monitoramento do material com uma microbalança a cristal de quartzo com dissipação (QCM-D) indicaram que a compensação de carga do polímero é acompanhada por uma considerável variação de viscoelasticidade do filme e a principal espécie responsável pela compensação é o ânion, sendo o ânion volumoso [Tf2N] incapaz de compensar a carga do sistema impedindo o processo redox de ocorrer. Ainda com relação a capacidade de funcionalização dos LI, um LI inédito foi preparado a partir de um segundo LI funcionalizável (brometo de 1-cloropropil-1-metilpirrolidíneo) que foi elucidado por diversas técnicas incluindo ressonância magnética nuclear em duas dimensões de 1H, 13C e 15N (RMN 2D: COSY, NOESY, HSQC e HMBC) e RMN 15N. Dessa forma, um LI funcionalizado com aza-éter de coroa (LIcoroa) foi preparado a partir da reação do LI funcionalizável e o aza-18-coroa-6 e, novamente, a estrutura foi elucidada, incluindo RMN 2D. O LIcoroa apresentou boa estabilidade térmica (371 °C) e eletroquímica (janela de 4 V). A densidade do LI foi obtida no valor de 1,5 g cm-3 (25 °C). No entanto, a viscosidade do LI foi elevada afetando diretamente sua condutividade elétrica quando comparado com o LI bis(trifluorosulfonil)imida de 1-bultil-1-metilpirrolidíneo já amplamente estudado na literatura. Para aplicações, este LI coroa está sendo estudado para atuar como eletrólito em baterias de íon lítio devido a sua possível capacidade de complexar com este íon e diminuir a interação do Li+ com os oxigênios da espécie aniônica [Tf2N].
Título em inglês
Novel ionic liquid and poly(ionic liquid) for eletrochemical devices
Palavras-chave em inglês
Crown ether
Electrochromism
Functionalization
Ionic liquids
Poly(Ionic liquids)
Viologen
Resumo em inglês
Ionic Liquids (ILs) and poly(Ionic Liquids) (PoILs) have fully tunable properties due to their different ion combinations as well as cation or anion functionalization, which results in smart materials with endless possibilities. In this study, a solid electrochromic PoIL was synthesized using a novel functionalizable and polymerizable IL (1-propyl-3-vinylimidazolium chloride bromide) and a viologen (4,4'-bipyridine) that reacted to form a monomer. Its subsequent polymerization resulted in a mechanically stable, highly ionically and electronically conductive electrochromic polyelectrolyte with a thermal decomposition temperature higher than 309°C and a glass transition temperature of 13°C. Spectroelectrochemical studies of the polymer deposited as a thin film over a transparent conductive substrate demonstrated a reversible redox process with reduction and oxidation potentials of -0.45 and -0.3V, respectively, which was accompanied by a reversible color change from colorless (oxidized state) to purple (reduced state) with an optical contrast of 19% at 525nm, a switching time of nearly 20s and a coloration efficiency of 60 cm2 C-1. Additionally, the film was repetitively switched from colorless to purple and began to lose electroactivity after approximately 4h and 400cycles. However, electroactivity was still observed after 16h or 1600cycles. Moreover, quartz crystal microbalance with dissipation monitoring indicated that the polymer charge compensation process was accompanied by a huge viscoelastic change in the film, as demonstrated by the spread of the harmonics and important changes in dissipation. Moreover, the anion is the most important specie in the charge compensation process, the large anion [Tf2N] is unable to compensate the charge, preventing the redox process from occurring. Also regarding the functionalization capacity of LI, a novel LI was prepared from a second functionalizable LI (1-chloropropyl-1-methylpyrrolidinium bromide) which was intensively elucidated by several techniques including two-dimensional nuclear magnetic resonance 1H, 13C and 15N (2D NMR: COSY, NOESY, HSQC and HMBC). Thus, a functionalized LI with aza-crown ether (LIcrown) was prepared from the reaction of the functionalizable LI and aza-18-crown-6 and, again, the structure was elucidated, including 2D NMR. LIcrown presented good thermal stability (371 ° C) and electrochemistry (4 V window). The density of the IL was 1,5 g cm-3. However, the viscosity of the LI was elevated by directly affecting its electrical conductivity when compared to the 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluorosulfonyl)imide already widely studied in the literature. For applications, this LIcrown is being studied to act as an electrolyte in lithium ion batteries because of its possible ability to complex with this ion and to decrease the interaction of Li+ with the oxygen of the anionic species [Tf2N].
 
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Data de Publicação
2019-05-17
 
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