Campeões de velocidade no armazenamento e entrega de energia elétrica, os supercapacitores podem ter um papel muito importante em uma sociedade cada vez menos dependente de combustíveis fósseis e cada vez mais apoiada no uso da eletricidade.

Para que os supercapacitores tenham um bom desempenho e consigam armazenar a maior quantidade possível de energia, a escolha do material do eletrodo é fundamental. Entre os favoritos, estão os compósitos formados por nanomateriais de carbono e óxidos metálicos, pois eles agregam a grande área superficial dos primeiros e a atividade eletroquímica dos segundos.

De fato, para que um supercapacitor carregue (ou seja, armazene energia) ocorrem diversos fenômenos na interface entre o eletrodo e o eletrólito, principalmente, a inserção de íons provenientes do eletrólito na estrutura do eletrodo (chamada de intercalação) e a transferência de elétrons gerada por meio de reações eletroquímicas de tipo redox.

Um trabalho conduzido por pesquisadores do CINE e colaboradores, e publicado na edição de hoje (7 de junho) com destaque em capa no periódico Nanoscale, traz uma importante contribuição ao estudo desses materiais para eletrodos de supercapacitores.

O estudo revela detalhes sobre os processos que ocorrem na interface entre um material composto por nanofibras de carbono e nanoestruturas de óxido de níquel (funcionando como eletrodo) e uma solução baseada em íons de lítio dissolvidos em água (funcionando como eletrólito de base aquosa, particularmente interessante por não utilizar solventes que agridem o meio ambiente).

Os autores obtiveram um material otimizado nas suas propriedades. Ao fazer crescer o óxido de níquel diretamente nas nanofibras de carbono, conseguiram um sinergismo entre os elementos químicos, no nível atômico, que resultou em excelente capacidade de armazenar e conduzir eletricidade, além de durabilidade e estabilidade.

O eletrodo foi submerso no eletrólito aquoso e foi carregado mediante a aplicação de corrente elétrica. Nesse momento, os autores do estudo observaram as interações entre ambos os componentes “in operando” (ou seja, enquanto o eletrodo estava em funcionamento). Para isso, utilizaram espectroscopia Raman, técnica capaz de fornecer informação relevante sobre as mudanças químicas e estruturais que ocorrem nos materiais.

“O principal impacto do trabalho foi a análise de Raman operando que, no presente estudo, revelou para a comunidade científica que a intercalação / desintercalação de H + e, em menor grau, de íons Li + pode ocorrer durante a polarização em soluções aquosas de acordo com a ‘reação redox de estado sólido substitutiva’”, detalha o doutorando Willian Gonçalves Nunes (UNICAMP), membro do Programa de Armazenamento Avançado de Energia do CINE.

“Além disso, do ponto de vista aplicado, temos um dispositivo muito estável quimicamente que proporcionou elevada ciclabilidade, além da alta capacidade de armazenar/estocar energia”, completa Willian, que é primeiro autor do artigo da Nanoscale. De fato, nos testes, o dispositivo completou 10 mil ciclos de carga e descarga, perdendo apenas 2% da eficiência no último ciclo.

Desta forma, o estudo mostrou que o compósito de nanofibras de carbono e óxido de níquel é promissor para aplicações em supercapacitores de base aquosa, e consolidou o uso de espectroscopia Raman “in operando” para estudar materiais de supercapacitores.

A pesquisa foi realizada dentro do doutorado de Willian Nunes, sob orientação do professor Hudson Zanin (UNICAMP).

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Referência do artigo científico: Charge-storage mechanism of highly defective NiO nanostructures on carbon nanofibers in electrochemical supercapacitors. Willian G. Nunes, Andre N. Miranda, Bruno Freitas, Rafael Vicentini, Aline C. Oliveira, Gustavo Doubek, Renato G. Freitas, Leonardo M. Da Silva and Hudson Zanin.   Nanoscale, 2021,13, 9590-9605. https://doi.org/10.1039/D1NR00065A.

Link para a capa (inside front cover): https://pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/nr#!issueid=nr013021&type=current&issnprint=2040-3364

Autores do artigo que são membros do CINE: Willian G. Nunes (doutorando, UNICAMP), André N. Miranda (doutorando, UNICAMP), Bruno Freitas (doutorando, UNICAMP), Rafael Vicentini (mestrando, UNICAMP), Gustavo Doubek (professor da UNICAMP, pesquisador principal no CINE), Renato Garcia Freitas (professor UFMT, colaborador do CINE), Leonardo Morais da Silva (professor da UFVJM, colaborador do CINE) e Hudson Zanin (professor da UNICAMP, pesquisador principal no CINE).