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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.46.2006.tde-13122006-144252
Document
Author
Full name
Eduardo Ariel Ponzio
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2006
Supervisor
Committee
Torresi, Roberto Manuel (President)
Rosolen, José Maurício
Sumodjo, Paulo Teng An
Temperini, Marcia Laudelina Arruda
Zarbin, Aldo José Gorgatti
Title in Portuguese
Nanocompósitos de blendas poliméricas condutoras e óxidos de metais de transição
Keywords in Portuguese
Metais
Nanocompósitos
Nanopartículas
Óxidos
Polímeros
Abstract in Portuguese
No presente trabalho, é apresentado o desenvolvimento de novos nanocompósito híbridos orgânico-inorgânico, especificamente MnO2/Blendas poliméricas condutoras (BPC) e nanofibras de V2O5 e V2O5/Pani, com propriedades diferenciadas. Estes óxidos nanoestruturados com morfologia definida, bem como a sua combinação com matrizes de polímeros condutores, apresentaram as características necessárias para um bom desempenho como material para catodos de baterias secundárias de lítio e/ou supercapacitores. Através dos resultados obtidos, foi possível demonstrar, de maneira inequívoca, que é possível alcançar um nanocompósito de óxido de metal de transição/polímero condutor, eletroativo e com morfologia definida mediante a síntese por micela reversa. A caracterização das BPC (Pani/PMMA e Ppy/PMMA) mostrou suas vantagens como matrizes para suportar e dispersar nanopartículas de MnO2, evitando o uso de carbono para aumentar a condutividade eletrônica do óxido. Particularmente, a utilização de nanocompósitos MnO2/(Ppy/PMMA), como material para supercapacitores, demonstrou que a distribuição homogênea das nanopartículas de MnO2 na BPC favorece a rápida difusão dos íons, o que indica que as nanopartículas, imobilizadas numa matriz polimérica condutora, tornam o material mais acessível à inserção de ambas as espécies (íons e elétrons). Comprovou-se a diferença de estabilidade mecânica entre as nanofibras de V2O5 e V2O5/Pani, revelando que a presença do polímero minimiza as variações, nas propriedades mecânicas da matriz inorgânica, durante o processo de intercalação de Li+. As nanofibras de V2O5/Pani revelaram uma maior capacidade especifica e uma cinética de intercalação mais rápida (devido ao caminho difusional mais curto no sólido nanoestruturado), que as nanofibras de V2O5. A presença de Pani, nas nanofibras, diminui a queda ôhmica e fornece um caminho condutor alternativo para unir as partículas isoladas do óxido, tornando-as eletroquimicamente ativas. De uma maneira geral, observou-se um sinergismo entre os materiais, isto é, a combinação de características positivas dos polímeros condutores eletrônicos junto às dos óxidos geraram um novo material com propriedades melhoradas, quando comparados aos componentes originais.
Title in English
Nanocomposities of polimer blend and transition metal oxide
Keywords in English
Metals
Nanocomposite
Nanoparticles
Oxides
Polimers
Abstract in English
In this work, new nanostructures formed from a mixture of MnO2 and conducting polymer blends (CPB), and new materials with specific morphology (nanofibers), constituted of V2O5 and V2O5/Pani have been investigated for application in energy storage devices, specifically, as cathode material for secondary lithium batteries and supercapacitors. Different nanostructures were prepared by reverse micelle method. Colloidal assemblies are used to control the size and the shape of the particles. The growth of the obtained particles was controlled by two condition: (i) time of the synthesis and (ii) size of the polar core. The characterization of CPB (Pani/PMMA and Ppy/PMMA) shown that this blends give an opportunity for the design of materials with improved properties, (stability, charge propagation dynamics) affording an ultimate degree of dispersion for the nanoparticles (MnO2). We also describe the preparation of electrodes with hybrid films formed by MnO2 dispersed into CPB. The resulting modified electrodes have been used for the fabrication of a supercapacitor and cathodes for lithium batteries. On the other hand, we explore the relationship between the nanoscale morphology and electrochemical performance of V2O5 and V2O5/Pani nanofibers. Both type of sample were examined by several techniques to characterize their structure and morphology. It was found that V2O5/Pani shows improved cycling behavior compared to the V2O5 one. The polymer looks to improve capacity of the nanohybrid electrodes due to the homogeneous distribution of the induced stress during cycling. The rate capabilities of the nanostructured electrodes were compared with the obtained value for thin-film electrodes containing the same type of the electrode material. Spectroscopy electrochemical impedance and cyclic voltammetry experiments have shown that the nanostructured electrode affords higher solid state kinetic and capacities than thin film electrodes. Therefore, the general notion behind these efforts is to combine the attractive properties of each material (conducting polymers and metal transition oxides)while taking advantage of synergistic effects that might mitigate against unattractive features observed for the individual materials.
 
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EAPonzio.pdf (5.68 Mbytes)
Publishing Date
2007-02-07
 
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