Compósitos contendo resinas e nano carbono

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6606 (2023) Cite este artigo

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Aqui, relatamos a funcionalização de nano-cebolas de carbono (CNOs) com o grupo hidroxiaril e modificações subsequentes com resinas: resorcinol-formaldeído usando Pluronic F-127 porogênico, resorcinol-formaldeído-melamina, benzoxazina feita de bisfenol A e trietilenotetramina e calix [4]derivado de resorcinareno usando F-127. Após a carbonização direta, extensa análise físico-química foi realizada, incluindo infravermelho com transformada de Fourier, Raman e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e transmissão e adsorção-dessorção de N2. A adição de CNO aos materiais aumenta significativamente o volume total de poros (até 0,932 cm3 g-1 para resina carbonizada de resorcinol-formaldeído e CNO (RF-CNO-C) e 1,242 cm3 g-1 para resina carbonizada de resorcinol-formaldeído-melamina e CNO (RFM-CNO-C)), com predomínio dos mesoporos. No entanto, os materiais sintetizados possuem domínios mal ordenados com alguma perturbação estrutural; o compósito RFM-CNO-C apresenta uma estrutura mais ordenada com regiões amorfas e semicristalinas. Posteriormente, a voltametria cíclica e o método de carga-descarga galvanostática estudaram as propriedades eletroquímicas de todos os materiais. Foi estudada a influência da composição das resinas, teor de CNO e quantidade de átomos de N no esqueleto carbonáceo sobre o desempenho eletroquímico. Em todos os casos, a adição de CNO ao material melhora suas propriedades eletroquímicas. O material de carbono derivado de CNO, resorcinol e melamina (RFM-CNO-C) apresentou a maior capacitância específica de 160 F g−1 em uma densidade de corrente de 2 A g−1, que é estável após 3000 ciclos. O eletrodo RFM-CNO-C retém aproximadamente 97% de sua eficiência capacitiva inicial. O desempenho eletroquímico do eletrodo RFM-CNO-C resulta da estabilidade da porosidade hierárquica e da presença de átomos de nitrogênio no esqueleto. Este material é uma solução ideal para dispositivos supercapacitores.

As sociedades modernas dependem de combustíveis fósseis e sofrem com todos os problemas relacionados à poluição, aquecimento global, aumento do custo dos combustíveis e questões geopolíticas. Devido à crescente demanda por armazenamento de energia eficiente de alta potência, o desenvolvimento de supercapacitores eletroquímicos (SCs) tem atraído muita atenção nos últimos anos. A principal razão é que os SCs têm muitas aplicações em campos industriais, principalmente para a indústria automotiva (ou seja, veículos elétricos) e fins militares1,2,3. Os dispositivos SC podem operar com altas taxas de energia em comparação com as baterias4,5,6,7. No entanto, a carga que eles podem armazenar é de 3 a 30 vezes menor5,7,8. SCs são atraentes porque oferecem soluções únicas melhores do que capacitores eletrolíticos e baterias, caracterizados por diferentes mecanismos de armazenamento. As desvantagens técnicas dos dispositivos de armazenamento convencionais são a capacidade limitada e o armazenamento vitalício. Portanto, muitos esforços foram feitos para descobrir SC de alta densidade de potência, baixa resistência de entrada, vida útil estendida, carga-descarga rápida e respeito ao meio ambiente8,9,10,11,12. Os materiais mais promissores parecem ser nanomateriais de carbono9,13, polímeros condutores14,15, óxidos metálicos16,17 e seus compósitos18, e alguns materiais menos estudados como estruturas orgânicas covalentes ou estruturas metal-orgânicas19,20, fósforo preto ou nitretos metálicos21, 22.

Materiais de carbono são amplamente utilizados em capacitores devido à sua versatilidade morfológica e baixo custo8,9,23. Nesse grupo, as nanoestruturas de carbono (CN) exibem diversas características como diferentes formas, tamanhos, estados de hibridização, conteúdo de heteroátomos e microtextura, que desempenham um papel crucial nas propriedades e aplicações específicas24,25. Altas áreas de superfície, poros de tamanhos adequados para armazenar diferentes íons e polarizabilidade e condutividade elétrica dos eletrodos são cruciais para carregar camadas duplas elétricas (EDL) com eficiência4. As formas de nanocarbono mais estudadas e próximas de encontrar aplicações práticas em dispositivos de capacitores elétricos são grafeno26,27, nanotubos de carbono (CNTs)28,29,30 e nano-cebolas de carbono (CNOs)31,32,33.