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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 16221 (2023) Citar este artigo

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Devido à importância dos sistemas de armazenamento de energia baseados em supercapacitores, diversos estudos têm sido realizados. Nesta pesquisa CuO, NCNO e flores como CuO/NCNO foram estudadas como novos materiais neste campo. O resultado mostrou que as nanoestruturas de CuO sintetizadas possuem morfologia semelhante a uma flor que foi estudada por análise FE-SEM. Além disso, o padrão XRD confirmou as propriedades cristalinas do nanocompósito CuO / NCNO, e o Raman verificou os grupos funcionais e vibrações dos componentes do nanocompósito CuO / NCNO. Em um sistema de dois eletrodos com uma densidade de corrente de 4 A/g, a capacitância, a densidade de potência e a densidade de energia foram 450 F/g, 3.200 W/kg e 98 Wh/kg, respectivamente. As resistências de transferência de carga dos eletrodos CuO e NCNO / CuO obtiveram 8 e 2 Ω respectivamente, o que mostra que a condutividade e as propriedades supercapacitivas do nanocompósito são melhores que os componentes puros. Além disso, a estabilidade e a baixa resistência à transferência de carga são outras vantagens obtidas na investigação de eletrodos bisimétricos. A investigação de estabilidade mostrou que após 3.000 ciclos consecutivos, apenas 4% da capacitância inicial do eletrodo CuO/NCNO diminuiu.

O uso de dispositivos de armazenamento de energia, como baterias e capacitores convencionais, tem sido limitado devido ao seu grande tamanho, baixa densidade de potência, baixa capacitância, longos tempos necessários para carregamento, curta vida útil e poluição ambiental1,2,3,4,5,6 ,7,8,9. Apresentando supercapacitores como capacitores eletroquímicos desenvolvidos com excelentes características, incluindo densidade muito alta, alta velocidade de carga e descarga, alta capacitância e biocompatibilidade, bem como sua aplicação em escala industrial (veículos elétricos, instalações elétricas e suporte elétrico de fábricas) e assim resolveram parcialmente as preocupações criadas no domínio da utilização de dispositivos de armazenamento de energia10,11,12,13,14,15,16,17. Os supercapacitores eletroquímicos possuem dois mecanismos de armazenamento de carga dependendo do tipo de material utilizado na estrutura do eletrodo. O mecanismo de armazenamento de carga na interface eletrodo-eletrólito é devido à adsorção de íons em um capacitor elétrico de dupla camada (EDLC) . O sistema de supercapacitores eletroquímicos EDLC consiste principalmente em materiais de carbono com alta área superficial e estruturas porosas, como carvão ativado, nanotubos de carbono e grafeno20,21,22,23,24,25,26. Nos pseudocapacitores, o mecanismo de armazenamento de carga é baseado em reações redox ou transferência de elétrons (reações faradaicas). Polímeros condutores, metais e óxidos de metais de transição são frequentemente utilizados em sua estrutura27,28,29,30,31. Os nanomateriais de carbono são os melhores materiais em eletrodos para supercapacitores eletroquímicos devido à sua fácil acessibilidade, alta estabilidade química e mecânica, grande área superficial e excelente condutividade elétrica. Apesar do uso abundante de nanomateriais de carbono puro em campos eletroquímicos, especialmente para armazenamento de energia, a baixa capacitância e a densidade de energia limitaram seu uso comercial. A dopagem de heteroátomos como fósforo (P), nitrogênio (N), oxigênio (O), enxofre (S) e flúor (F) na estrutura da matriz de carbono é uma das abordagens de modificação adequadas para melhorar as propriedades eletroquímicas e comercialização de nanomateriais de carbono32,33,34. O heteroátomo de nitrogênio (N) tem sido mais estudado do que outros heteroátomos devido à facilidade de integração na estrutura dos nanomateriais de carbono, colocação na estrutura com diferentes formas químicas e criação de sítios ativos para reações redox. Além disso, os átomos de N, com alta eletronegatividade em comparação aos átomos de C e H, induzem uma carga positiva nos átomos de carbono adjacentes, o que aumenta os sítios ativos na superfície do eletrodo para ligar os íons eletrolíticos e aumenta a molhabilidade do eletrodo . Nano cebolas de carbono (CNOs) são partículas de carbono contendo múltiplas camadas de grafeno com hibridização SP2 . A estrutura em camadas nas esferas CNOs tem causado a criação de muitos canais iônicos e poros, além de aumentar a acessibilidade da superfície externa da estrutura, e essas características estruturais aumentam sua atividade eletrocatalítica . Apesar da boa atividade eletroquímica e da alta taxa de carga-descarga, a capacitância e a energia específica são baixas nas estruturas dos CNOs . Uma abordagem básica para aumentar a capacitância específica e a resistência das estruturas CNO é dopar átomos de N em sua estrutura, o que pode aumentar centros de superfície ativos para adsorção de íons eletrolíticos em sua superfície, resultando em aumento de capacitância . Com base nos poucos relatórios fornecidos sobre a aplicação de estruturas CNOs dopadas com N, é necessário muito esforço para melhorar a aplicação dessas estruturas de carbono no campo dos supercapacitores . O uso de óxidos de metais de transição (TMOs) na estrutura do eletrodo aumenta as reações redox reversíveis, a densidade de energia e a capacitância . Embora o uso de TMOs nas estruturas dos eletrodos (eletrodos pseudo-capacitivos) aumente a capacitância específica, eles podem efetivamente reduzir a densidade de energia devido à janela de potencial limitada. A solução primária e prática é a fabricação de nanocompósitos, combinando TMOs como materiais pseudo-capacitores com nanomateriais de carbono como materiais EDLC e aplicando nanocompósitos baseados em nanoestruturas de óxido metálico / carbono como materiais de eletrodo em supercapacitores eletroquímicos . Os capacitores fabricados pelos materiais nanocompósitos mencionados são um híbrido de capacitores EDLC e pseudocapacitores que possuem excelentes propriedades de ambos os tipos.