Preparation and characterization of nanocomposites of carbon nanotubes and iron oxide for supercapacitors

Este trabalho visa preparar e caracterizar nanocompósitos de nanotubos de carbono e óxido de ferro para aplicação em eletrodos de supercapacitores. Supercapacitores são dispositivos para armazenamento de energia que apresentam longo ciclo de vida, alta densidade de energia, alta densidade de potência e curto tempo de carga e descarga. Nanotubos de carbono apresentam grande área superficial específica que contribui para o aumento do armazenamento de energia eletrostática e excelente condutividade que contribui para a menor resistência do dispositivo. A preparação deste nanocompósito foi realizada em três etapas sucessivas. A primeira etapa trata-se de depositar, na forma de filmes finos de boa homogeneidade, nanotubos de carbono sobre um substrato de aço inox através da técnica de Deposição Eletroforética. Em seguida, utilizando-se a técnica de Eletrodeposição foi eletrodepositado ferro nos nanotubos de carbono. A terceira etapa de preparação do nanocompósito será um tratamento térmico, com a finalidade de oxidar totalmente o ferro que reveste os nanotubos de carbonos e dá-los também uma maior estabilidade eletroquímica. Com imagens feitas por Microscopia Eletrônica de Varredura foi analisada a morfologia dos nanocompósitos. Para se analisar o comportamento eletroquímico do nanocompósito foi utilizada a técnica de voltametrias cíclicas (CV). A análise das curvas CV mostrou que o nanocompósito apresenta um bom desempenho pseudocapacitivo, contribuindo fortemente para o aumento da capacitância dos eletrodos. No nanocompósito de nanotubos de carbono e óxido de ferro com limitação de carga de 10mC encontrou-se uma curva típica do processo pseudocapacitivo e capacitância no valor de 5140μF no eletrólito Na 2 SO 4 1M/aquosa. No nanocompósito de nanotubos de carbono e óxido de ferro com limitação de carga de 100mC no eletrólito NaClO 4 0,5M/DMF a capacitância obteve valor de 5630 μF, menor que a apresentada pelo nanocompósito de carga 10mC, 6330 μF no mesmo potencial. No eletrólito NaOH 1M/aquosa os nanocompósitos de nanotubos de carbono e óxido de ferro apresentaram capacitância menor que os nanotubos de carbono termicamente tratados. Portanto os nanocompósitos com carga de 10mC apresentam maior valor de capacitância.This work aims to prepare and characterize nanocomposites of carbon nanotubes and iron oxide for use in supercapacitors electrodes. Supercapacitors are devices for energy storage that have long cycle life, high energy density, high power density and short time of loading and unloading. Carbon nanotubes have large specific surface area which contributes to the increase of electrostatic energy storage and excellent conductivity which contributes to lower device resistance. The preparation of this nanocomposite was carried out in three successive stages. The first step it is deposited in the form of thin films of good homogeneity, carbon nanotubes on a stainless steel substrate by the electrophoretic deposition technique. Then, using the electrodeposition technique was electrodeposited iron in carbon nanotubes. The third nanocomposite preparation step is a heat treatment in order to fully oxidize the iron coating the carbon nanotubes and also gives them a higher electrochemical stability. With images made by scanning electron microscopy, we analyzed the morphology of the nanocomposites. To analyze the electrochemical behavior of the nanocomposite was used the technique of cyclic voltammetry (CV). Analysis of the CV curves showed that the nanocomposite shows a good pseudocapacitive performance, contributing greatly to increase the capacitance of the electrodes. In the carbon nanotube nanocomposite and iron oxide with 10mC load limitation encountered is a typical curve of pseudocapacitivo process and the capacitance value 5140μF in 1M Na2SO4 electrolyte / water. In the nanocomposite of carbon nanotubes and iron oxide 100MC with load limitation in the electrolyte 0.5 M NaClO 4 / DMF capacitance value obtained mF 5630, lower than that one presented by the load nanocomposite 10mC, 6330 mF at the same potential. The electrolyte 1M NaOH / aqueous nanocomposites of carbon nanotubes and iron oxide showed lower capacitance than the heat-treated carbon nanotubes. So nanocomposites with 10mC load have a higher capacitance value.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq