Óxidos nanoestruturados de nióbio obtidos por processo hidrotermal aplicados como eletrodo de capacitor eletroquímico

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Santos Júnior, Adilar Gonçalves dos
• Orientador(a): Malfatti, Célia de Fraga
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Óxido de nióbio; Síntese hidrotermal; Supercapacitor
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/231560

No atual estágio do desenvolvimento tecnológico, dispositivos de armazenamento de energia são vitais para a implementação e expansão de outras tecnologias essenciais para o futuro sustentável do planeta, como a geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis e a eletrificação da frota veicular. Dentre as diversas configurações de diferentes dispositivos que têm sido propostos, os capacitores eletroquímicos elaborados com eletrólitos aquosos se destacam por apresentarem elevada capacitância específica, manufatura simples, custo mais baixo e serem ambientalmente mais seguros. No entanto, as principais limitações dos capacitores eletroquímicos são a pouca quantidade de energia armazenada e a pequena janela de potencial (para eletrólitos aquosos), as quais podem ser superadas com o uso de materiais com propriedades pseudocapacitivas, como os óxidos de metais de transição. Dentre esses, óxidos contendo nióbio apresentam propriedades eletroquímicas favoráveis, como rápidas reações de oxirredução que ocorrem na superfície do material e/ou processos de intercalação e desintercalação de íons. Nesse trabalho, niobato de sódio nanoestruturado Na2Nb2O6.H2O foi obtido por processo hidrotermal em baixa temperatura a partir de chapa metálica de nióbio em solução aquosa de hidróxido de sódio. Niobato de sódio desidratado (Na2Nb2O6) e niobato de sódio com estrutura do tipo perovskita (NaNbO3) foram obtidos ao submeter o niobato proveniente do processo hidrotermal a um processo de tratamento térmico (350°C e 500°C, respectivamente). Esses três materiais foram submetidos ao tratamento químico de troca iônica com imersão em ácido nítrico e a partir desse procedimento foram obtidos os niobatos protônicos: (H3O)2Nb2O6.H2O e (H3O)2Nb2O6. A amostra NaNbO3 não sofreu modificação estrutural no processo de troca iônica. Em seguida foi avaliado o desempenho desses materiais quando aplicados como eletrodo de capacitor eletroquímico em diferentes eletrólitos aquosos (H2SO4, Na2SO4, NaOH). As amostras de niobato de sódio apresentaram baixos valores de densidade de corrente nos ensaios de voltametria cíclica, o que resultou em uma baixa quantidade de energia armazenada. Por outro lado, esses materiais demonstraram uma extensa janela de potencial. Os niobatos protônicos apresentaram resultados expressivos de capacitância específica no eletrólito H2SO4 1M, consistindo de 95,8 mF.cm-2 para o niobato (H3O)2Nb2O6.H2O e 140,5 mF.cm-2 para o niobato (H3O)2Nb2O6 (densidade de corrente: 1 mA.cm-2), o que representa uma quantidade significativa de energia armazenada. Além disso, os dois materiais demonstraram uma ótima retenção dessa capacitância específica (cerca de 90%) até cerca de 300 ciclos.