Supercapacitor baseado em composto binário polimérico de politiofeno e

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11278 (2022) Cite este artigo

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O objetivo deste trabalho é fabricar nanocompósitos de eletrodo supercapacitor à base de poli (3-hexil-tiofeno-2,5-diil) (P3HT) e nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs) com diferentes proporções sobre uma folha de grafite como substrato com uma ampla janela de voltagem em eletrólito não aquoso. Propriedades estruturais, morfológicas e eletroquímicas dos nanocompósitos preparados de P3HT/SWCNTs foram estudadas e discutidas. As propriedades eletroquímicas incluíram voltametria cíclica (CV), carga-descarga galvanostática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) foram investigadas. Os resultados obtidos indicaram que o nanocompósito P3HT/SWCNTs possui capacitância específica maior do que aquela presente em seu componente individual. O alto desempenho eletroquímico do nanocompósito foi devido à formação de estrutura microporosa que facilita a difusão de íons e a penetração de eletrólitos nesses poros. As micrografias morfológicas dos SWCNTs purificados tinham estrutura buckypaper enquanto as fotomicrografias de P3HT/SWCNTs mostraram que os SWCNTs aparecem atrás e na frente das nanoesferas de P3HT. A capacitância específica de SWCNTs de 50% a 0,5 Ag-1 foi de 245,8 Fg-1 em comparação com a do P3HT puro de 160,5 Fg-1.

Desde a descoberta de polímeros condutores como poli (3-hexiltiofeno) (P3HT), polipirrol e polianilina, muitos cientistas têm trabalhado na busca de aplicações para esses polímeros como diodos emissores de luz1,2, adsorventes3,4, dispositivos eletrocrômicos5, sensores6 e supercapacitores7,8. Supercapacitores eletroquímicos como dispositivos promissores de armazenamento de energia fornecem baixa densidade de energia, alta densidade de potência, taxa de descarga de carga rápida e ciclo de vida longo9,10. Supercapacitores (SC) ou ultracapacitores têm apontado para capacitores com alta área superficial dos eletrodos. Os SCs podem coletar energia em um tempo muito curto para fornecer um surto de energia quando uma carga rápida é necessária. Com base no mecanismo de carga e descarga, os supercapacitores são categorizados em supercapacitores elétricos de dupla camada (EDLCs), pseudosupercapacitores (PSC) e supercapacitores híbridos. Os EDLCs também são chamados de capacitores eletrostáticos e o armazenamento de carga nos EDLCs ocorre na interface eletrodo/eletrólito por meio do mecanismo de adsorção de carga eletrostática11,12. A capacitância específica deste tipo depende da área de superfície específica, tamanho do poro, formato do poro, morfologia e condutividade elétrica. Nos PSCs, armazenam cargas por meio de reações redox ou farádicas rápidas e reversíveis que ocorrem em óxidos metálicos ou polímeros condutores. As reações redox reversíveis ocorridas na superfície dos materiais do eletrodo produzem alta densidade de energia em comparação aos EDLCs10,13,14.

Entre os materiais PSC, polímeros condutores e óxidos de metais de transição são materiais promissores como eletrodos SC. P3HT, polipirrol e polianilina têm interesse na área de armazenamento de energia devido à sua reversibilidade eletroquímica, dopagem-desdopagem durante o processo de carga-descarga e alta condutividade elétrica9,15. O P3HT como um polímero condutor solúvel é adequado e apropriado para a fabricação de eletrodos supercapacitores devido ao seu comportamento de pseudosupercapacitância, condutividade elétrica única e alta densidade de energia16. Além disso, o P3HT combinado com nanoestruturas de carbono pode armazenar a carga na dupla camada elétrica formada na interface eletrodo/eletrólito. No entanto, o inchaço e o encolhimento do P3HT nos eletrólitos levam à degradação mecânica17,18,19.

Nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) têm sido usados ​​como eletrodos para os supercapacitores devido à sua estrutura oca única, condutividade eletrônica, estabilidade térmica e resistência mecânica20,21. Muitos esforços têm sido feitos para fabricar eletrodos P3HT/SWCNTs por causa de sua alta área de superfície específica, que pode expor inteiramente planos de grafite basal ou planos de borda ao eletrólito22,23,24,25. Dhibar et al. preparou eletrodos supercapacitores nanocompósitos ternários de grafeno/SWCNTs/poli(3-metiltiofeno) e alcançou uma capacitância específica de 551 F/g com uma pequena janela de voltagem entre 0 e 0,8 V23. Zhou et ai. enxertou e fabricou poli(3-oligo(óxido de etileno)) tiofeno no eletrodo supercapacitor de SWCNTs na janela negativa de − 0,9 a − 0,1 V e obteve uma capacitância específica de 399 F/g25.