COMPÓSITOS DE FIBRAS DE CARBONO/DIAMANTE/POLIANILINA INTERCONECTADOS EM PROCESSOS DE LIMPEZA DE ÁGUAS E DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA.
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Water and energy are indispensable inputs to modern economies, and when they depend on each other, the most complex challenges arise. The major problem is the lack of integration between policies in the energy and water sectors, as these sectors are well developed individually, but only a limited effort is made to manage the links between them. In materials science, it has been sought the development of materials for high-performance processes in both sectors. Therefore, the innovative aspect of this work is to obtain a new ternary composite material that can be used both for pesticide detection in wastewater, as well as, for energy storage devices. In this way, this work presents the production and characterization of ternary composites formed by carbon fiber (CF), boron doped diamond film and polyaniline (PAni). Different CF structures obtained in different heat treatment temperatures were evaluated. Two distinct diamond film morphologies were also produced, micro and nanocrystalline. In addition, the influence of PAni deposition time during chemical synthesis on the performance of the ternary composite was analyzed. After evaluating the importance of each constituent material and the performance of the ternary composites, the electrodes with the best electrochemical performance exhibited specific capacitance of 520 F/g, as well as good electrochemical reversibility and high charge storage capacity. These electrodes were used to assembly the supercapacitor device, which showed good cyclic stability, with 83% of capacitance retention after 1000 cycles, besides stable coulombic efficiency of approximately 99%. For the detection measurements, the electrochemical synthesis of PAni was selected, evaluating two different methodologies. A study of the electrolyte pH was carried out by cyclic voltammetry. After defining the best methodology for electrochemical synthesis and the ideal electrolyte pH value, the detection parameters for square wave voltammetry were studied. Afterwards, the analytical curve was obtained, which showed a wide linear range with a limit of detection of 0.55 μmol/L, which is close to the lowest values found in the literature for bentazon detection by voltammetric techniques. In addition, the electrode exhibited good repeatability and reproducibility, showing no analyte adsorption on the electrode surface, and allowing the quantification of bentazon with relative standard deviation of approximately 0.4%. In this way, the ternary composite produced in this work proved to be efficient in both proposed applications, showing its ability to promote an effective interconnection between the water and energy sectors.
Água e energia são insumos indispensáveis para economias modernas e, quando dependem um do outro, surgem os mais complexos desafios. O grande problema existente é a falta de integração entre políticas dos setores de energia e de água, já que estes setores são bem desenvolvidos individualmente, mas apenas um esforço limitado é feito para gerenciar as ligações entre eles. Na ciência dos materiais, tem-se buscado o desenvolvimento de materiais para processos de alto desempenho, em ambos os setores. O aspecto inovador deste trabalho é, portanto, a obtenção de um novo material compósito ternário que possa ser utilizado tanto na detecção de pesticida em processos de limpeza de água, quanto em dispositivos de armazenamento de energia. Desta forma, este trabalho apresenta a produção e caracterização de compósitos ternários formados por fibra de carbono (FC), filme de diamante dopado com boro e polianilina (PAni). Foram avaliadas diferentes estruturas de FC, obtidas em diferentes temperaturas de tratamento térmico. Duas morfologias distintas de filme de diamante também foram produzidas, micro e nanocristalina. Além disso, analisou-se a influência do tempo de deposição de PAni por síntese química no desempenho do material compósito. Após avaliar a importância de cada material constituinte e o desempenho dos compósitos ternários, os eletrodos com melhor desempenho eletroquímico exibiram capacitância específica de 520 F/g, além de boa reversibilidade eletroquímica e elevada capacidade de armazenamento de carga. Estes eletrodos foram utilizados para a montagem do dispositivo supercapacitor, que apresentou boa estabilidade cíclica, com retenção de capacitância de 83% depois de 1000 ciclos, além de eficiência coulômbica estável em aproximadamente 99%. Para as medidas de detecção, a síntese eletroquímica de PAni foi selecionada, avaliando-se duas metodologias distintas. Foi realizado um estudo do pH do eletrólito por voltametria cíclica. Depois de definida a melhor metodologia de síntese eletroquímica e o pH ideal, foram estudados os parâmetros de detecção por voltametria de onda quadrada. Em seguida, foi obtida a curva analítica, que apresentou uma ampla faixa linear com um limite de detecção igual a 0,55 μmol/L, que é próximo dos valores mais baixos encontrados na literatura para detecção de bentazona por técnicas voltamétricas. Além disso, o eletrodo exibiu boa repetibilidade e reprodutibilidade, não apresentando adsorção do analito na superfície do eletrodo, e permitindo a quantificação de bentazona com valores de desvio padrão relativo de aproximadamente 0,4%. Desta forma, o compósito ternário produzido neste trabalho provou-se eficiente em ambas as aplicações propostas, mostrando-se capaz de promover uma interconexão entre os setores de água e energia de forma eficaz.
