Intercalação de K+ em azul da Prússia

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2023.O Hexacianoferrato de Ferro (Fe4[Fe(CN)6]3), conhecido como Azul da Prússia (PB), é um material que apresenta propriedades físicas que o tornam promissor para aplicação em eletrodos de baterias. O PB é conhecido pela estabilidade química, não toxicidade e baixo custo de produção, e por apresentar uma estrutura cristalina com parâmetro de rede da ordem de 10 Å, acomoda facilmente íons em seu interstício cristalino, estratégia interessante para aplicações em dispositivos de armazenamento de energia. Neste trabalho, filmes finos de PB foram crescidos usando a técnica de eletrodeposição, e uma bateria eletroquímica foi simulada a fim de estudar o impacto do processo de entrada e saída de íons de potássio (K+) na estrutura cristalina. Caracterizações foram realizadas nas amostras antes e após os testes de bateria: estrutura cristalina, morfologia, composição química e propriedades óticas. Os resultados revelam que o material produzido apresenta morfologia cúbica, estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) com parâmetro de rede de 10,21 Å e orientação preferencial [200], além de ser um semicondutor com gap direto. Após os ensaios da bateria foi observada uma diminuição no parâmetro de rede em 0,79 % na inserção de íons, e 1,89 % de aumento na retirada de íons, sem alteração significativa na estrutura cristalina, sugerindo um processo de intercalação de íons na rede original. Caracterizações feitas através da espectroscopia Raman entre os testes de carga e descarga indica que os ensaios que finalizam com o processo de carga são os mais estáveis.Abstract: Iron Hexacyanoferrate (Fe4[Fe(CN)6]3), known as Prussian Blue (PB), is a material that presents physical properties that make it promising for application in battery electrodes. PB is known for its chemical stability, non-toxicity, and low production cost, and for having a crystalline structure with a lattice parameter of the order of 10 Å, it easily accommodates ions in its crystalline interstice, an interesting strategy for applications in energy storage devices. In this work, PB thin films were grown using the electrodeposition technique, and an electrochemical battery was simulated in order to study the impact of the insertion and extraction process of potassium ions (K+) on the crystalline structure. Characterizations were performed on the samples before and after the battery tests: crystalline structure, morphology, chemical composition, and optical properties. The results reveal that the material produced has a cubic morphology, face-centered cubic crystal structure (FCC) with a lattice parameter of 10.21 Å and preferential orientation [200], in addition to being a semiconductor with a direct gap. After the battery tests, a decrease in the lattice parameter of 0.79 % was observed by the insertion of ions, and a 1.89 % increase after the extraction of ions, without significant alteration in the crystalline structure, suggesting a process of intercalation of ions in the battery. original network. Characterizations made through Raman spectroscopy between the charge and discharge tests indicate that the tests that end with the charging process are the most stable