Electrochemical energy storage devices based on ruthenium complexes nanomaterials
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Data
2022Autor
Pérez Mendoza, Alejandro Esteban, 1992-
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Resumo: O desenvolvimento de eletrodos que permitam atingir altas densidades de potência e energia em dispositivos eletroquímicos de armazenamento de energia é um dos principais desafios para garantir a demanda dos diversos equipamentos e aplicações que precisam fontes de energia. A melhoria da densidade de energia e potência requer eletrodos com composição química que apresentam processos faradaicos rápidos, e estruturas que ofereçam alto uso efetivo do material e alta velocidade de transporte de carga. Os clusters trinucleares de acetato de rutênio (Ru3O(CH3CO2)6L3) exibem reações redox rápidas que podem ser exploradas em eletrodos para dispositivos eletroquímicos de armazenamento de energia. Por outro lado, a técnica de Langmuir Blodgett é um método interessante para obtenção de filmes finos com estruturas organizadas, que poderiam ser explorados como eletrodos que favoreçam a exposição do material e aumentem a velocidade de transporte de carga. O presente estudo propõe a fabricação e caracterização de eletrodos para dispositivos de armazenamento de energia baseados em clusters de acetato de trirutênio. Nanomateriais híbridos combinando clusters de acetato de trirutênio com grafeno foram sintetizados para fabricar filmes finos com o método drop-casting e Langmuir Blodgett (LB). A estrutura e composição dos eletrodos foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia Raman, infravermelho e UV-vis. Enquanto seu comportamento eletroquímico foi estudado por voltametria cíclica, curvas de carga e descarga e espectroscopia de impedância eletroquímica. Os resultados demonstraram que os eletrodos com materiais híbridos foram fabricados com sucesso. Além disso, eles revelaram o efeito sinérgico do cluster de trirutênio e do grafeno, dado que o armazenamento de energia tem a contribuição tanto das reações redox do cluster de trirutênio quanto do processo capacitivo no grafeno. Mas a capacidade pode ser limitada pelo transporte de carga em altas densidades de corrente e velocidades de varredura. Esta limitação pode ser superada melhorando a estrutura do eletrodo como demonstrado por este trabalho. Os eletrodos LB mostraram maior eficiência no uso do material ativo (maior capacitância por unidade de massa) e melhor desempenho em altas taxas de descarga. O eletrodo LB do cluster de trirutênio armazenou uma carga próxima à teoricamente esperada se todo o material depositado sofrer uma reação redox, então eles exibiram capacitâncias tão altas quanto 204 F g-1 para o eletrodo de 18 monocamadas. Enquanto os eletrodos híbridos LB de até 8 monocamadas exibiram queda de capacitância significativamente menor em altas taxas de descarga. Por exemplo, o eletrodo híbrido LB com 8 monocamadas reteve 65% de sua capacitância enquanto o eletrodo "drop-casted" reteve apenas 26% de sua capacitância quando a corrente de descarga foi aumentada 14 vezes. Além disso o desempenho dos eletrodos LB foi demonstrado por meio de um microcapacitor de célula única construído como prova de conceito que exibiu uma capacitância máxima de 68 Mi F cm-2 em baixas correntes de descarga. Abstract: The development of electrodes allowing to attain high power and energy densities in electrochemical energy storage devices is a main challenge in this research area. The improving of the energy and power density requires electrodes made up of materials with chemical composition able to undergo fast faradaic processes, and structures offering high effective use of the material and high rate of charge transport. Triruthenium acetate clusters (Ru3O(CH3CO2)6L3) are materials exhibiting fast redox reactions, which could be exploited in electrodes for electrochemical energy storage devices. Whereas the Langmuir Blodgett (LB) technique is an interesting method to obtain thin films with organized structures, which could be exploited in the fabrication of electrodes with structures exhibiting faster charge transport and higher material exposition. So, herein is proposed the fabrication and characterization of electrodes for energy storage devices based on triruthenium acetate clusters. Hybrid nanomaterials combining triruthenium acetate clusters with graphene were synthesized to fabricate thin film electrodes with drop casting and Langmuir Blodgett (LB) technique. The structure and chemical composition of the electrode materials were characterized using infrared, Raman and UV-vis spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, whereas their electrochemical behavior was studied using cyclic voltammetry, galvanostatic charge discharge curves and electrochemical impedance spectroscopy. Results demonstrated that the hybrid electrodes were successfully manufactured. Also, they revealed the synergistic effect of the triruthenium cluster and graphene since energy storage have the contribution of both redox reactions of triruthenium cluster and the capacitance of graphene. But the capacity was limited by charge transport at high current densities and scan rates. This limitation could be overcome improving the electrode structure as demonstrated in this work. The LB electrodes exhibited higher effective use of the active material (higher capacitance by mass unit) and better performance at high discharge rates. The triruthenium cluster LB electrode stored a charge close to the theoretically expected if all material deposited undergoes a redox reaction, so they exhibited capacitances so high as 204 F g-1 for the 18 monolayers electrode. The hybrid LB electrodes up to 8 monolayers exhibited capacitance decay significantly lower at high discharge rates. For example, the hybrid LB electrode with 8 monolayers retained 65% of its capacitance, whereas the drop-casted only retained 26% of its capacitance when discharge current was increased 14 times. The performance of LB electrodes was demonstrated through a single cell micro capacitor constructed as proof of concept, which exhibited a maximum capacitance of 68 Mi F cm-2 at low discharge currents.
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