Dissertação/Tese Bateria recarregável de Zn-ar formada por eletrocatalisadores heteroestruturados de grafeno/Cu2O - PPGQ

As baterias de metal-ar têm atraído atenção significativa devido ao seu baixo custo e alta densidade teórica. Dentre elas, as baterias de zinco-ar têm ganhado destaque especialmente por causa da sua configuração segura e abundância desse metal. No entanto, as baterias recarregáveis de zinco-ar apresentam problemas em relação ao seu desempenho e estabilidade, o que torna necessário o desenvolvimento de eletrocatalisadores que possam melhorar sua densidade de potência, capacidade específica e eficiência de carga e descarga. Dessa forma, novos estudos têm sido direcionados para investigar eletrocatalisadores baseados em elementos abundantes na Terra, visando tanto o alto desempenho eletrocatalítico quanto o custo competitivo. Nesse cenário, combinar materiais de carbono com óxidos metálicos é apontado como uma estratégia promissora para melhorar a eficiência e custo-benefício dos eletrocatalisadores. Assim, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma bateria bifuncional de Zn-ar utilizando o eletrodo de grafeno-Cu2O. A caracterização do eletrodo sintetizado foi realizada por difração de raio–X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectrometria por energia dispersiva (EDS) e espectroscopia raman. Para a caracterização eletroquímica, foram realizados testes de voltametria ciclíca e linear, cronopotenciometria (carga e descarga e capacidade específica) e cronoamperometria, comparando o eletrodo de grafeno e o de grafeno-Cu2O. Os testes para avaliação do eletrodo apontaram o potencial do grafeno-Cu2O para catalisar as reações de oxirredução do oxigênio devido a troca de valência do Cu+↔Cu2+. Nos testes para avaliação da bateria, observou-se que a heteroestrutura se comparada ao grafeno alcançou aumento da potência em mais de 60%, com estabilidade de carga e descarga de mais de 50 horas, e capacidade específica de 725 mAh g-1 . Assim, o eletrodo de grafeno-Cu2O utilizado revelou resultados bastante promissores e interessantes no avanço das baterias recarregáveis de Zn-ar, funcionando como um dispositivo bifuncional que atua tanto na carga quanto na descarga, criando perspectivas positivas para a indústria energética.

Metal-air batteries have attracted significant attention due to their low cost, and high theoretical density. Among them, zinc-air batteries have gained prominence especially because of their safe configuration and abundance of this metal. However, zinc-air rechargeable batteries have problems regarding their performance and stability, which makes it necessary to develop electrocatalysts that can improve their power density, specific capacity and charge and discharge efficiency. Thus, combining carbon materials with metallic oxides is pointed out as a promising strategy to improve the efficiency and cost-effectiveness of electrocatalysts. Thus, the objective of this work is the development of a bifunctional Zn-air battery using grapheneCu2O electrode. The characterization of the synthesized electrode was performed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometry (EDS) and Raman spectroscopy. For the electrochemical characterization, tests of voltammetry, chronopotentiometry and chronoamperometry were carried out, comparing the graphene electrode and the graphene-Cu2O electrode. The tests for evaluating the electrode showed the potential of graphene-Cu2O to catalyze the redox reactions of oxygen due to the exchange of valence of Cu+↔Cu2+ . Further, it was observed that the heterostructure compared to pure graphene achieved a power increase of more than 60%, with charge and discharge stability of more than 50 hours, and specific capacity of 725 mAh g-1 . Thus, the graphene-Cu2O electrode used revealed very promising and interesting results in the advancement of rechargeable Zn-air batteries, functioning as a bifunctional device that acts both in charge and discharge, creating positive perspectives for the energy industry.