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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.46.2014.tde-30092014-132359
Document
Author
Full name
Lucas Lodovico de Carvalho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2014
Supervisor
Committee
Torresi, Roberto Manuel (President)
Lima, Fabio Henrique Barros de
Sumodjo, Paulo Teng An
Title in Portuguese
Construção e caracterização eletroquímica de eletrodos baseados em grafeno
Keywords in Portuguese
Diazônio
EDLC
Eletroquímica
EPD
Grafeno
QCM
Supercapacitor
Abstract in Portuguese
A demanda crescente por meios de armazenar eficientemente energia elétrica tem incentivado a busca de materiais que melhorem o desempenho específico de dispositivos armazenadores de carga elétrica. Dentre os materiais a base de carbono, destaca-se o grafeno e seus derivados como tendo grande potencial para aumentar o desempenho de tais. Nesse trabalho, estudam-se duas abordagens para a imobilização de grafeno sobre condutores metálicos e o efeito que essas tem na eletroquímica dos sistemas. De maneira geral, evitou-se a utilização de polímeros como aglutinantes na construção de eletrodos, visto que esses podem interferir negativamente na eletroquímica do sistema (além de não serem condutores elétricos, não têm nenhum benefício em relação a aumento de capacitância do eletrodo). As metodologias estudadas podem ser separadas em duas categorias, sendo essas a de eletrodos obtidos por deposição eletroforética de derivados de grafeno e imobilização de grafeno sobre condutores metálicos pelo uso de camadas orgânicas, que servem de ponto de ancoragem para os derivados de grafeno. Os eletrodos foram então caracterizados eletroquimicamente, visando principalmente seu uso em capacitores eletroquímicos. Dentre as técnicas utilizadas para tal, destacam-se o uso de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica, além de técnicas não eletroquímicas como espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica e microbalança de cristal de quartzo. De modo geral, pode-se observar que a deposição eletroforética é uma maneira simples de obter eletrodos modificados, e apresenta alta reprodutibilidade. O fato de não possuírem outros compostos químicos que não o grafeno, além de serem altamente rugosos, mostrou que esses eletrodos tem desempenho capacitivo muito bom, sendo o método de obtenção do grafeno e a maneira escolhida para deposição diretamente responsáveis pela morfologia obtida. A construção de eletrodos pela ancoragem de grafeno foi feita com base na (eletro)química de sais de diazônio, que se mostrou bastante promissora quanto a capacidade de se obter uma ligação química estável entre as folhas de grafeno e o metal. A alta reatividade dos sais de diazônio, no entanto, se mostrou danosa a eletroquímica do grafeno, sendo que tais eletrodos não apresentaram nenhuma característica que justificasse seu uso em capacitores eletroquímicos. Assim, os avanços e desafios restantes em relação a essas abordagens na construção capacitores eletroquímicos com alto desempenho específico encontram-se aqui detalhados.
Title in English
Construction and electrochemical characterization of grapheme-based electrodes
Keywords in English
Diazonium
EDLC
Electrochemical
EPD
Graphene
QCM
Supercapacitor
Abstract in English
The increasing demand for efficient electrical energy storage devices has pushed research towards materials with potential to increase the specific performance of such devices. Among the carbon-based materials, one that has been heavily studied as a potential candidate to accomplish such feat is graphene and its chemical derivatives. In this work, two methodologies to accomplish graphene immobilization over metallic current collectors are approached, as well as the effects that such approaches have on the electrochemistry of the resulting electrodes. As a general guideline, the usage of polymeric binders as ways of keeping good mechanical stability are avoided, due to their tendency to negatively impact the system's electrochemistry (not only they're normally electrical in sulators, they also don't usually possess any intrinsic electroactivity that could enhance the electrode's capacitance). The methodologies in study can be separated into two categories, namely, electrophoretic deposition and usage of organic molecules as anchoring points to attach graphene sheets to the surface. Such electrodes were characterized by a number of electrochemical technics, most prominently cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy in the group of electrochemical technics, and Raman spectroscopy, atomic force microscopy, scanning electron microscopy and quartz crystal microbalance in the group of non-electrochemical technics. Electrophoretic deposition of graphene is proved to be a very straightforward and reproducible way to obtain modified electrodes. Since no chemical compound other than the graphene derivatives are necessary, and that the final electrodes have very rough surfaces, such electrodes have very high capacitance, and those characteristics are direct consequence of the chosen method. Anchoring graphene derivatives on the surface of metallic conductors by the (electro)-chemistry of diazonium salts is shown to be a promising method to achieve strongly bound graphene sheets to a surface. The high reactivity of diazonium salts, though, hampers the electrochemical activity of graphene, and no electrodes suitable to be used in electrochemical capacitors were obtained. In summary, the advances and remaining challenges towards the use of such methodologies in the construction of electrochemical capacitors are presented here.
 
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Publishing Date
2014-11-07
 
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