Filmes finos e transparentes de dissulfeto de tungstênio e nanotubos de carbono : preparação, caracterização e avaliação para aplicação em baterias e supercapacitores

Abstract

Resumo: Os dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) são uma classe de materiais que recentemente despertaram o interesse de muitos grupos de pesquisa após a descoberta de propriedades que estes materiais apresentam em sua forma bidimensional. Propriedades elétricas e optoeletrônicas associadas a uma alta área superficial tornam estes materiais ideais para aplicação em diversas áreas, como catalisadores na geração de hidrogênio, sensores, células solares, baterias e supercapacitores. Dentre os TMDs, o dissulfeto de tungstênio (WS2) pode ser destacado dos demais por apresentar bons valores das propriedades elétricas e optoeletrônicas e também a um custo mais baixo do tungstênio quando comparado a outros metais de transição. Neste sentido, este trabalho buscou preparar e caracterizar filmes finos de WS2 e avaliar sua aplicação em baterias aquosas de sódio e potássio e supercapacitores. Para tanto, estudos de esfoliação foram conduzidos e três cossolventes foram selecionados para a esfoliação do WS2, sendo uma razão de água/etanol e duas de acetonitrila/água. As dispersões foram caracterizadas por diversas técnicas e revelaram algumas diferenças entre si, mas todas apresentaram um bom grau de esfoliação. Após esta etapa, filmes finos de WS2 e WS2 com nanotubos de carbono foram feitos pela rota interfacial líquido líquido e caracterizados por diversas técnicas espectroscópicas e morfológicas, revelando a obtenção de filmes finos que possuem transparência e alta área superficial. Estes filmes foram avaliados como eletrodos em baterias aquosas de íons sódio e potássio, porém não foi possível intercalar estes íons, o que indica que o material obtido não é ideal para aplicação em baterias. A avaliação também foi feita para aplicação como eletrodo em supercapacitores e, neste caso, valores de capacitância específica maiores que 40 F·cm-3 foram obtidos, com uma capacidade de retenção maior que 90 % após 500 ciclos, o que indica que este material possui um grande potencial de aplicação como eletrodo em supercapacitores

Abstract: Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) are a class of materials that have recently attracted the interest of many research groups due to the discovery of properties arising from the bi-dimensionality. Electrical and optoelectronic properties, along with a high surface area, make these materials ideal for supercapacitors. Among the TMDs, tungsten disulfide (WS2) stands out due to improved properties and small cost compared to other transition metals. In this context, this study aimed to prepare and characterize thin films of WS2 and evaluated their application in aqueous sodium and potassium batteries and supercapacitors. To achieve these goals, exfoliation studies were performed, and three cosolvents were selected for the exfoliation of WS2, including a water/ethanol and two acetonitrile/water ratios. The dispersions were characterized by various techniques, revealing some unique features, but all of them showed a good degree of exfoliation. After this step, thin films of WS2 and WS2 with carbon nanotubes were prepared through the liquid-liquid interfacial route and characterized by several spectroscopic and morphological techniques, yielding transparent thin films with a high surface area. These films were tested as electrodes in aqueous sodium and potassium ion batteries, but it was not possible to intercalate these ions, indicating that the obtained material is not ideal for battery applications. The evaluation was also performed for use as an electrode in supercapacitors, and in this case, specific capacitance values higher than 40 F·cm-3 were obtained, with a retention capacity greater than 90 % after 500 cycles, indicating that this material has a great potential to be applied as an electrode in supercapacitors