{"id":5699,"date":"2017-03-31T14:43:37","date_gmt":"2017-03-31T17:43:37","guid":{"rendered":"http:\/\/sbpmat.org.br\/?p=5699"},"modified":"2017-04-07T17:22:17","modified_gmt":"2017-04-07T20:22:17","slug":"artigo-em-destaque-material-avancado-para-supercapacitores-supercapazes","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/artigo-em-destaque-material-avancado-para-supercapacitores-supercapazes\/","title":{"rendered":"Artigo em destaque: Material avan\u00e7ado para supercapacitores supercapazes."},"content":{"rendered":"

O artigo cient\u00edfico com participa\u00e7\u00e3o de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste m\u00eas \u00e9: One-step electrodeposited 3D-ternary composite of zirconia nanoparticles, rGO and polypyrrole with enhanced supercapacitor performance.<\/strong><\/em> Alves, Ana Paula P.; Koizumi, Ryota; Samanta, Atanu; Machado, Leonardo D.; Singh, Abhisek K.; Galvao, Douglas S.; Silva, Glaura G.; Tiwary, Chandra S.; Ajayan, Pulickel M. NANO ENERGY, volume 31, January 2017, 225\u2013232. DOI: 10.1016\/j.nanoen.2016.11.018.<\/p>\n

Material avan\u00e7ado para supercapacitores supercapazes<\/strong><\/p>\n

Supercapacitores s\u00e3o dispositivos de estocagem de eletricidade que apresentam a \u00fatil particularidade de liberarem grandes quantidades de energia em curtos intervalos de tempo. J\u00e1 s\u00e3o usados, por exemplo, em ve\u00edculos el\u00e9tricos ou h\u00edbridos, flashes de c\u00e2meras fotogr\u00e1ficas e elevadores, mas ainda podem ser aperfei\u00e7oados – em grande parte, com a contribui\u00e7\u00e3o da Ci\u00eancia e Tecnologia de Materiais \u2013 para as aplica\u00e7\u00f5es atuais e potenciais. Em um esquema bem simplificado, um supercapacitor \u00e9 formado por dois eletrodos, o positivo e o negativo, separados por uma subst\u00e2ncia contendo \u00edons positivos e negativos (o eletr\u00f3lito).<\/p>\n

Um artigo recentemente publicado no peri\u00f3dico cient\u00edfico Nano Energy (fator de impacto 11,553) apresenta uma contribui\u00e7\u00e3o de uma equipe cient\u00edfica internacional e interdisciplinar ao desenvolvimento de materiais que melhoram o desempenho de supercapacitores. Mediante um processo simples e facilmente escal\u00e1vel, o time de pesquisadores do Brasil, Estados Unidos e \u00cdndia fabricou eletrodos de um material comp\u00f3sito formado por polipirrol (PPi), \u00f3xido de grafeno reduzido (rGO) e nanopart\u00edculas de \u00f3xido de zirc\u00f4nio (ZrO2). Ao combinarem os tr\u00eas materiais, os cientistas conseguiram gerar um eletrodo com grande \u00e1rea superficial e alta porosidade \u2013 caracter\u00edsticas fundamentais para promover a intera\u00e7\u00e3o dos \u00edons do eletr\u00f3lito com a superf\u00edcie dos eletrodos e, dessa maneira, potencializar o desempenho do supercapacitor.<\/p>\n

\u201cNossa contribui\u00e7\u00e3o diferenciada foi a s\u00edntese, em uma \u00fanica e simples etapa de eletrodeposi\u00e7\u00e3o, de um h\u00edbrido contendo grafeno, \u00f3xido de zirc\u00f4nio e polipirrol e a demonstra\u00e7\u00e3o experimental de ganhos consider\u00e1veis em propriedades eletroqu\u00edmicas, em paralelo \u00e0 modelagem te\u00f3rica visando obter uma compreens\u00e3o do papel dos componentes do material\u201d, diz Glaura Goulart Silva<\/a>, professora do departamento de Qu\u00edmica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e autora correspondente do artigo.<\/p>\n

Al\u00e9m de preparar amostras do comp\u00f3sito tern\u00e1rio (ou seja, formado por tr\u00eas elementos) PPi\/rGO\/ZrO2, a equipe fabricou, usando o mesmo m\u00e9todo e para fins de compara\u00e7\u00e3o, amostras do comp\u00f3sito bin\u00e1rio PPi\/rGO, e amostras de polipirrol puro. Os tr\u00eas materiais foram analisados usando as t\u00e9cnicas de XPS (espectroscopia de fotoel\u00e9trons excitados por raios X), MEV (microscopia eletr\u00f4nica de varredura), espectroscopia Raman e microscopia eletr\u00f4nica de transmiss\u00e3o, para determinar sua composi\u00e7\u00e3o, estrutura e morfologia.<\/p>\n

Como pode ser observado nas imagens de MEV da figura abaixo, os cientistas notaram que a adi\u00e7\u00e3o de \u00f3xido de grafeno e nanopart\u00edculas de zirc\u00f4nia mudara significativamente a morfologia do material. Enquanto o polipirrol puro tinha formado um filme trincado e com aspecto de aramado, o comp\u00f3sito com grafeno possu\u00eda uma morfologia granulosa e sem fendas, e o material com \u00f3xido de zirc\u00f4nio se apresentava com aspecto semelhante ao de folhas.<\/p>\n

Finalizando a parte experimental do estudo, os cientistas realizaram uma s\u00e9rie de testes para medir o desempenho dos tr\u00eas materiais enquanto supercapacitores. Os resultados mostraram que a capacidade de armazenar cargas el\u00e9tricas (capacit\u00e2ncia) tinha aumentado at\u00e9 100% no comp\u00f3sito tern\u00e1rio com rela\u00e7\u00e3o ao polipirrol. Al\u00e9m disso, esse desempenho, em vez de diminuir devido ao uso do eletrodo, aumentara 5% depois de 1.000 recargas nos comp\u00f3sitos bin\u00e1rio e tern\u00e1rio.<\/p>\n

O artigo foi o primeiro a apresentar a introdu\u00e7\u00e3o de nanopart\u00edculas de \u00f3xido de zirc\u00f4nio em eletrodos de polipirrol e grafeno para supercapacitores. Assim, a equipe realizou modelagens computacionais para analisar o papel do \u00f3xido de zirc\u00f4nio no desempenho do comp\u00f3sito. As simula\u00e7\u00f5es confirmaram os efeitos ben\u00e9ficos das nanopart\u00edculas na estabilidade do material, diretamente relacionada ao alongamento da vida \u00fatil dos eletrodos.<\/p>\n

\"Esquema<\/a>
Esquema ilustrativo de armazenamento de carga e intera\u00e7\u00e3o dos \u00edons pr\u00f3ximos \u00e0 superf\u00edcie dos eletrodos de polipirrol puro (PPi), con \u00f3xido de grafeno reduzido (PPi\/rGO) e polipirrol, PPi\/rGO\/ZrO2 (acima), baseado na morfologia associada \u00e0s imagens de MEV da superf\u00edcie dos eletrodos com os respectivos materiais sob substrato de fibra de carbono (abaixo). Imagem feita por Ana Paula Pereira Alves para sua tese de doutorado.<\/figcaption><\/figure>\n

 <\/p>\n

\u201cO potencial destes novos comp\u00f3sitos para uso em supercapacitores \u00e9 muito grande devido \u00e0s necessidades de aumento da densidade de energia fornecida pelo dispositivo, em paralelo \u00e0 sua miniaturiza\u00e7\u00e3o\u201d, afirma a professora Goulart Silva. \u201cA alternativa desenvolvida no trabalho em quest\u00e3o permite um melhor desempenho em termos de estabilidade \u00e0 ciclagem com ganhos na dire\u00e7\u00e3o da seguran\u00e7a do supercapacitor. O uso de supercapacitores e baterias nos carros el\u00e9tricos e h\u00edbridos \u00e9 uma das frentes tecnol\u00f3gicas onde estes materiais podem encontrar aplica\u00e7\u00e3o\u201d, completa.<\/p>\n

\"A<\/a>
A partir da esquerda do leitor: a professora Glaura Goulart Silva (UFMG), o professor Pulickel Ajayan (Rice University) e Ana Paula Pereira Alves, doutora rec\u00e9m- diplomada pela UFMG.<\/figcaption><\/figure>\n

O trabalho faz parte do doutorado em Qu\u00edmica de Ana Paula Pereira Alves<\/a>, realizado com orienta\u00e7\u00e3o da professora Goulart Silva e defendido em fevereiro deste ano na UFMG com uma tese sobre s\u00edntese e caracteriza\u00e7\u00e3o de materiais avan\u00e7ados para supercapacitores. Na universidade mineira, Pereira Alves realizou, no doutorado, um treinamento intensivo em t\u00e9cnicas de s\u00edntese e an\u00e1lise f\u00edsico-qu\u00edmica de pol\u00edmeros conjugados e de grafenos e em caracteriza\u00e7\u00e3o de supercapacitores. Em 2015, ela partiu para os Estados Unidos para realizar um est\u00e1gio \u201csandu\u00edche\u201d de um ano, com apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient\u00edfico e Tecnol\u00f3gico (CNPq), no departamento de Ci\u00eancia dos Materiais e Nanoengenharia da Rice University, no grupo de pesquisa do professor Pulickel Ajayan<\/a> (pesquisador com \u00edndice h=139 segundo o Google Scholar), que \u00e9 colaborador do grupo da professora Goulart Silva desde 2010. \u201cO professor Ajayan tem sistematicamente proposto inova\u00e7\u00f5es radicais em s\u00ednteses e design de baterias e supercapacitores, com grande impacto internacional na \u00e1rea\u201d, comenta ela.<\/p>\n

O trabalho experimental reportado no artigo foi realizado na Rice University, com a presen\u00e7a de todos os autores, inclusive os oriundos do Brasil e da \u00cdndia, sem omitir a pr\u00f3pria professora Goulart Silva, que passou ali o m\u00eas de fevereiro de 2016 com apoio da Funda\u00e7\u00e3o de Amparo \u00e0 Pesquisa do Estado de Minas Gerais (Fapemig). \u201cO ambiente altamente interdisciplinar do Department of Materials Science and NanoEngineering<\/em> da Rice permitiu que engenheiros, f\u00edsicos e qu\u00edmicos se reunissem para trabalhar em um problema de grande import\u00e2ncia na atualidade\u201d.<\/p>\n

A modelagem computacional foi realizada por pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) – entre eles, o professor Douglas Galv\u00e3o (Unicamp), que mantinha uma colabora\u00e7\u00e3o cient\u00edfica com o professor Ajayan desde antes do in\u00edcio desta pesquisa.<\/p>\n

\u201cEm minha opini\u00e3o este trabalho \u00e9 um excelente exemplo de sucesso, onde a compet\u00eancia dos grupos brasileiros se uniu \u00e0 de um grupo altamente produtivo e impactante no cen\u00e1rio internacional e se complementaram\u201d, diz Goulart Silva. \u201cA estabilidade e amplia\u00e7\u00e3o dos investimentos em pesquisa e desenvolvimento no Brasil s\u00e3o essenciais para que exemplos de trabalhos como esse sejam corriqueiros. Pesquisa \u00e9 um investimento que precisa ser feito a longo termo, sem retrocessos, para assim permitir uma alta taxa de retorno em termos de materiais, tecnologias e pessoas altamente qualificadas. Ana Paula Alves \u00e9 agora uma jovem doutora em busca de oportunidade para construir seu grupo de pesquisa e assim formar novos estudantes e contribuir para enfrentar os desafios do nosso pa\u00eds\u201d, completa a professora da UFMG.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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