Aplicação de MXenes e melaninas como eletrodo em supercapacitores

Abstract

Esta tese investiga o desenvolvimento de materiais avançados para armazenamento eletroquímico de energia, com foco na relação entre composição química, estrutura e desempenho em supercapacitores aquosos. Inicialmente, foi realizada uma investigação comparativa entre diferentes fases de MXenes sintetizadas pela rota LiF + HCl, incluindo Ti₃C₂Tₓ, Nb₂CTₓ, Nb₄C₃Tₓ e V₄C₃Tₓ. Os resultados mostraram que a composição e a estequiometria influenciam diretamente a janela de potencial operacional, os mecanismos de armazenamento de carga e a estabilidade eletroquímica. Além disso, foi demonstrado que a metodologia empregada para determinar a janela de potencial operacional é essencial para evitar superestimações de capacitância frequentemente observadas na literatura. Em seguida, foram estudados eletrodos híbridos baseados em Ti₃C₂Tₓ MXene e polímeros condutores, demonstrando que a incorporação de PANI e PPy aumenta significativamente a capacitância específica devido à combinação entre elevada condutividade elétrica e contribuição pseudocapacitiva. Paralelamente, a tese explora materiais orgânicos bioinspirados por meio da funcionalização de melanina sintética com grupos sulfonados. A sulfonação promoveu aumento expressivo da capacitância específica, redução da resistência elétrica e maior contribuição pseudocapacitiva, alcançando até 428,4 F g⁻¹. Um supercapacitor assimétrico baseado em melanina sulfonada apresentou densidade de energia de 30,1 Wh kg⁻¹ e retenção de 85% da capacitância após 20.000 ciclos. De forma geral, os resultados demonstram que a engenharia estrutural e química dos eletrodos, desde materiais 2D até sistemas orgânicos funcionalizados, é fundamental para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes, sustentáveis e de longa vida útil.

This thesis investigates the development of advanced materials for electrochemical energy storage, focusing on the relationship between chemical composition, structure, and performance in aqueous supercapacitors. Initially, a comparative investigation was carried out on different MXene phases synthesized via the LiF + HCl route, including Ti₃C₂Tₓ, Nb₂CTₓ, Nb₄C₃Tₓ, and V₄C₃Tₓ. The results demonstrated that composition and stoichiometry directly influence the operational potential window, charge storage mechanisms, and electrochemical stability. In addition, it was shown that the methodology employed to determine the operational potential window is essential to avoid capacitance overestimations frequently reported in the literature. Subsequently, hybrid electrodes based on Ti₃C₂Tₓ MXene and conductive polymers were investigated, demonstrating that the incorporation of PANI and PPy significantly increases the specific capacitance due to the combination of high electrical conductivity and pseudocapacitive contributions. In parallel, this thesis explores bioinspired organic materials through the functionalization of synthetic melanin with sulfonated groups. Sulfonation promoted a significant increase in specific capacitance, reduced electrical resistance, and enhanced pseudocapacitive contributions, reaching up to 428.4 F g⁻¹. An asymmetric supercapacitor based on sulfonated melanin achieved an energy density of 30.1 Wh kg⁻¹ and retained 85% of its capacitance after 20,000 cycles. Overall, the results demonstrate that the structural and chemical engineering of electrodes, ranging from 2D materials to functionalized organic systems, is fundamental for the development of more efficient, sustainable, and long-life energy storage devices.