Compósitos contendo resinas e nano carbono

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6606 (2023) Citar este artigo

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Aqui, relatamos a funcionalização de nano-cebolas de carbono (CNOs) com o grupo hidroxiarila e posteriores modificações com resinas: resorcinol-formaldeído usando Pluronic F-127 porogênico, resorcinol-formaldeído-melamina, benzoxazina feita de bisfenol A e trietilenotetramina, e cálix [4]derivado de resorcinareno usando F-127. Após a carbonização direta, foram realizadas extensas análises físico-químicas, incluindo espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia de fotoelétrons Raman e raios X, microscopia eletrônica de varredura e transmissão e adsorção-dessorção de N2. A adição de CNO aos materiais aumenta significativamente o volume total de poros (até 0,932 cm3 g-1 para resina carbonizada de resorcinol-formaldeído e CNO (RF-CNO-C) e 1,242 cm3 g-1 para resina carbonizada de resorcinol-formaldeído-melamina e CNO (RFM-CNO-C)), com domínio dos mesoporos. No entanto, os materiais sintetizados apresentam domínios mal ordenados com algumas perturbações estruturais; o compósito RFM-CNO-C apresenta uma estrutura mais ordenada com regiões amorfas e semicristalinas. Posteriormente, a voltametria cíclica e o método de carga-descarga galvanostática estudaram as propriedades eletroquímicas de todos os materiais. A influência da composição das resinas, do teor de CNO e da quantidade de átomos de N no esqueleto carbonáceo no desempenho eletroquímico foi estudada. Em todos os casos, a adição de CNO ao material melhora as suas propriedades eletroquímicas. O material de carbono derivado de CNO, resorcinol e melamina (RFM-CNO-C) apresentou a maior capacitância específica de 160 F g-1 a uma densidade de corrente de 2 A g-1, que é estável após 3.000 ciclos. O eletrodo RFM-CNO-C retém aproximadamente 97% de sua eficiência capacitiva inicial. O desempenho eletroquímico do eletrodo RFM-CNO-C resulta da estabilidade da porosidade hierárquica e da presença de átomos de nitrogênio no esqueleto. Este material é uma solução ideal para dispositivos supercapacitores.

As sociedades modernas dependem dos combustíveis fósseis e sofrem com todos os problemas relacionados com a poluição, o aquecimento global, o aumento dos custos dos combustíveis e questões geopolíticas. Devido à crescente demanda por armazenamento de energia eficiente e de alta potência, o desenvolvimento de supercapacitores eletroquímicos (SCs) tem atraído muita atenção nos últimos anos. A principal razão é que os SCs têm muitas aplicações em campos industriais, principalmente para a indústria automotiva (ou seja, veículos elétricos) e para fins militares1,2,3. Os dispositivos SC podem operar com taxas de potência elevadas em comparação com baterias4,5,6,7. No entanto, a carga que podem armazenar é 3 a 30 vezes menor5,7,8. Os SCs são atraentes porque oferecem soluções únicas, melhores que capacitores eletrolíticos e baterias, caracterizados por diferentes mecanismos de armazenamento. As desvantagens técnicas dos dispositivos de armazenamento convencionais são a capacidade limitada e a vida útil do armazenamento. Portanto, muitos esforços foram feitos para descobrir SC de alta densidade de potência, baixa resistência de entrada, vida útil prolongada, carga-descarga rápida e respeito ao meio ambiente8,9,10,11,12. Os materiais mais promissores parecem ser os nanomateriais de carbono9,13, polímeros condutores14,15, óxidos metálicos16,17 e seus compósitos18, e alguns materiais menos estudados, como estruturas orgânicas covalentes ou estruturas metal-orgânicas19,20, fósforo negro ou nitretos metálicos21, 22.

Materiais de carbono são amplamente utilizados em capacitores devido à sua versatilidade morfológica e baixo custo8,9,23. Neste grupo, as nanoestruturas de carbono (CN) apresentam muitas características como diferentes formas, tamanhos, estados de hibridização, conteúdo de heteroátomos e microtextura, que desempenham um papel crucial nas propriedades e aplicações específicas . Áreas superficiais elevadas, poros de tamanhos adequados para armazenar diferentes íons e polarizabilidade e condutividade elétrica dos eletrodos são cruciais para o carregamento eficiente de camadas duplas elétricas (EDL) . As formas mais estudadas de nanocarbono que estão próximas de encontrar aplicações práticas em dispositivos capacitores elétricos são o grafeno26,27, os nanotubos de carbono (CNTs)28,29,30 e as nano-cebolas de carbono (CNOs)31,32,33.