Materiais compósitos de polipirrol para a construção de supercapacitores de alto desempenho

Abstract

Resumo: Neste trabalho, foram sintetizados dois compósitos à base de polipirrol, utilizando metodologias simples, com o objetivo de aplicá-los como eletrodos em supercapacitores. O desempenho desses dispositivos pode ser aprimorado pela melhoria na estabilidade dos ciclos de carga e descarga, aumento da capacitância e ampliação da janela de potencial de operação, que são desafios atuais no desenvolvimento de novos materiais para supercapacitores. A combinação entre polipirrol e nanopartículas de ouro (AuNP) foi realizada em uma síntese rápida na qual os íons de ouro foram reduzidos diretamente na superfície do polímero. O efeito do tempo de redução sobre as propriedades eletroquímicas foi avaliado pelas propriedades eletrocatalíticas do material obtido a partir da oxidação do ácido ascórbico (AA). A presença das AuNP melhorou a eletrocatálise do AA, reduzindo o potencial de oxidação e diminuindo a resistência à transferência de carga. Os resultados também indicaram um aumento no transporte eletrônico do filme polimérico na presença de AuNP. No entanto, a superoxidação do polipirrol ocorreu em período de deposição superior a 30 segundos. O tempo de deposição de 15 segundos apresentou o melhor resultado com formação de partículas menores, menos aglomeradas e com menor superoxidação do polipirrol. O material foi avaliado como eletrodo em um supercapacitor simétrico flexível com um gel de alginato atuando como eletrólito e separador. O dispositivo apresentou uma capacitância específica de 36,6 F g-1 a 0,25 A g-1 e apresentou melhora na durabilidade, comparado ao polipirrol, após 1000 ciclos de carga e descarga com retenção de capacitância de 80,4%. O segundo material chamado, PPi/[Ni(opba)]2-, foi sintetizado combinando polipirrol com o complexo mononuclear NiII-bis(oxamato). A caracterização revelou que o complexo alterou a morfologia do polipirrol, criando uma estrutura globular tridimensional proeminente, sem identificação de modificação química significativa. O eletrodo PPi/[Ni(opba)]2- apresentou uma janela de potencial ampliada e maior corrente em comparação com o eletrodo de polipirrol puro, resultando em maior capacidade de armazenamento de energia. O supercapacitor simétrico com gel de alginato apresentou capacitância específica de 41,6 F g-1 em uma densidade de corrente de 0,2 A g-1, com ótima retenção de capacitância de 97% após 1000 ciclos de carga e descarga galvanostática. A síntese de dois diferentes materiais à base de polipirrol neste estudo reforça sua versatilidade e potencial aplicação em armazenamento de energia

Abstract: In this work, two polypyrrole-based composites were synthesized using simple methodologies, to apply them as electrodes in supercapacitors. The performance of these devices can be enhanced by improving the stability of charge and discharge cycles, increasing capacitance, and expanding the operating potential window, which are current challenges in developing new materials for supercapacitors. The combination of polypyrrole and gold nanoparticles (AuNP) was achieved through a rapid synthesis in which gold ions were directly reduced on the polymer surface. The effect of reduction time on the electrochemical properties was evaluated through the electrocatalytic properties of the material obtained from the oxidation of ascorbic acid (AA). The presence of AuNP improved the electrocatalysis of AA, reducing the oxidation potential and decreasing the charge transfer resistance. The results also indicated an increase in the electronic transport of the polymer film in the presence of AuNP. However, superoxidation of the polypyrrole occurred when the deposition time exceeded 30 seconds. A deposition time of 15 seconds provided the best result, with the formation of smaller, less agglomerated particles and lower superoxidation of the polypyrrole. The material was evaluated as an electrode in a flexible symmetric supercapacitor with an alginate gel acting as the electrolyte and separator. The device exhibited a specific capacitance of 36.6 F g-1 at 0.25 A g-1 and showed improved durability compared to polypyrrole after 1000 charge and discharge cycles, with a capacitance retention of 80.4%. The second material, PPi/[Ni(opba)]2- was synthesized by combining polypyrrole with the mononuclear NiII-bis(oxamato) complex. Characterization revealed that the complex altered the morphology of the polypyrrole, creating a prominent three-dimensional globular structure, with no significant chemical modification identified. The PPi/[Ni(opba)]2- electrode exhibited an expanded potential window and higher current than the pure polypyrrole electrode, resulting in a higher energy storage capacity. The symmetric supercapacitor with alginate gel showed a specific capacitance of 41.6 F g-1 at a current density of 0.2 A g-1, with a capacity retention of 97% after 1000 galvanostatic charge and discharge cycles. The synthesis of two different polypyrrole-based materials in this study highlights its versatility and potential application in energy storage