Nanoarquitetando materiais em interfaces líquido/líquido : filmes finos de óxidos de cobre, dissulfeto de molibdênio e nanomateriais de carbono para aplicação em ânodos de baterias aquosas de íons sódio e potássio

Abstract

Resumo: Neste trabalho, foram obtidos filmes finos com diferentes nanoarquiteturas utilizando a rota interfacial líquido-líquido (LLIR), e aplicados como ânodos em baterias aquosas transparentes de íons sódio e potássio. O documento foi dividido em quatro seções: (i) primeiramente são apresentados os resultados de filmes finos de nanocompósitos baseados em diferentes materiais à base de molibdênio e nanotubos de carbono (CNTs). Os filmes foram produzidos a partir de dispersões de CNTs em clorofórmio ou tolueno, e dissulfeto de molibdênio (MoS2) (ou uma mistura de óxido/sulfeto de molibdênio amorfo - MoX) dispersos em acetonitrila/água. Materiais preparados com CNTs dispersos em clorofórmio mostraram uma interação mais efetiva e íntima entre os componentes, melhorando a resposta eletroquímica. Todas as amostras apresentaram uma capacidade específica muito boa, possibilitando sua aplicação como ânodos em baterias de íons-K operando em água. A melhor amostra alcançou uma capacidade específica de 517 mA h g?¹ a 7 A g?¹, com um grau de retenção próximo a 100%; (ii) a segunda estratégia envolveu a preparação de filmes finos tri-componentes. Três filmes de nanocompósitos transparentes, compostos de grafeno, MoS2 e nanopartículas de óxidos de cobre, foram preparados e caracterizados por várias técnicas. Os resultados mostraram que diferentes nanoarquiteturas foram alcançadas de acordo com a estratégia experimental específica, resultando em propriedades aprimoradas. Uma capacidade de 1377 mA h g?¹ a 0,1 A g?¹ e um grau de retenção de 100% foram observados no filme com interação otimizada entre os componentes, demonstrando o potencial desses materiais tri-componentes como ânodos em baterias aquosas de íons-Na; (iii) com o objetivo de obter dispositivos (full cell) com os filmes obtidos, hidrogéis à base de álcool polivinílico, cloreto de sódio e ácido bórico foram preparados e caracterizados para serem utilizados simultaneamente como eletrólitos e separadores em baterias aquosas de íons de sódio transparentes e flexíveis. Diferentes proporções entre os componentes foram estudadas, e as etapas de gelificação e a deposição sobre eletrodos foram otimizadas para obter amostras transparentes e condutoras; (iv) finalmente, foram obtidos dispositivos completos utilizando um filme tri-componente de grafeno/MoS2/óxido de cobre (de acordo com o descrito na seção ii) como ânodo, um nanocompósito entre CNTs e o hexacianoferrato de cobalto (já estudado pelo nosso grupo de pesquisa) como cátodo, e o hidrogel como eletrólito e separador. A bateria final apresentou 39% de transmitância o que indica uma elevada transparência, capacidade específica de até 73 mA h g?¹ a 0,5 A g?¹, densidade de energia de 43,1 W h kg?¹ a 1,7 kW kg?¹. Quando preparados em substratos flexíveis, capacidades específicas de 82,9 mA h g?¹ a 0,5 A g?¹ foram obtidas, e valores ainda maiores (114 mA h g?¹ a 0,5 A g?¹) foram alcançados quando o eletrodo foi torcido. Esses resultados são superlativos quando comparados com os melhores publicados até o momento, sendo um dos únicos a descrever baterias aquosas de íons-Na unindo transparência e flexibilidade, o que corresponde a um grande avanço científico e tecnológico

Abstract: In this study, thin films with varied nanoarchitectures were developed using the liquid liquid interfacial route (LLIR) and were utilized as anodes in transparent aqueous sodium and potassium ion batteries. The paper is organized into four sections: (i) The first section presents the results of nanocomposite thin films made from different molybdenum-based materials and carbon nanotubes (CNTs). These films were produced by dispersing CNTs in either chloroform or toluene, while molybdenum disulfide (MoS2) or a mixture of amorphous molybdenum oxide/sulfide (MoX) was dispersed in acetonitrile/water. Films using CNTs dispersed in chloroform demonstrated a more effective and intimate interaction between the components, leading to enhanced electrochemical performance. All samples exhibited a high specific capacity, making them suitable as anodes in K-ion batteries operating in aqueous environments. The best-performing sample achieved a specific capacity of 517 mA h g?¹ at 7 A g?¹, with nearly 100% capacity retention; (ii) The second strategy involved the preparation of tri-component thin films. Three transparent nanocomposite films, composed of graphene, MoS2, and copper oxide nanoparticles, were prepared and characterized using various techniques. The study revealed that distinct nanoarchitectures were achieved depending on the specific experimental strategy employed, resulting in enhanced properties. A capacity of 1377 mA h g?¹ at 0.1 A g?¹ and 100% capacity retention was observed in the film with optimized component interactions, highlighting the potential of these tri-component materials as anodes in aqueous Na-ion batteries; (iii) To create full cell devices using these films, hydrogels based on polyvinyl alcohol, sodium chloride, and boric acid were developed and characterized for use as electrolytes and separators in transparent and flexible aqueous sodium-ion batteries. Different component ratios were explored, and the gelation process and deposition on electrodes were optimized to produce transparent and conductive samples; (iv) Finally, complete devices were assembled using a tri-component graphene/MoS2/Cu?O film (as described in section ii) as the anode, a nanocomposite of CNTs and cobalt hexacyanoferrate (previously studied by our research group) as the cathode, and the hydrogel as the electrolyte and separator. The resulting battery demonstrated 39% transmittance which indicates a high transparency, a specific capacity of up to 73 mA h g?¹ at 0.5 A g?¹, and an energy density of 43.1 W h kg?¹ at 1.7 kW kg?¹. When fabricated on flexible substrates, specific capacities of 82.9 mA h g?¹ at 0.5 A g?¹ were achieved, with even higher values (114 mA h g?¹ at 0.5 A g?¹) obtained when the electrode was twisted. These results are exceptional compared to the best published to date, making this one of the few studies to report on aqueous Na-ion batteries that combine transparency and flexibility, representing a significant scientific and technological advancement