Estudo cinético de caracterização de carbonos duros condutores e o armazenamento de energia em baterias de fluxo usando íons de ferro

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2024

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UFVJM

Abstract

A busca por progressos tecnológicos no campo do armazenamento de energias limpas e renováveis provenientes de fontes intermitentes (ou flutuantes) como as eólicas e solares, especialmente via processos eletroquímicos, motiva a busca de novos materiais condutores de eletricidade para atuarem como catodos (ativos ou passivos) nos dispositivos armazenadores denominados baterias de fluxo de íons (BFI). A otimização de catodos visa aumentar a eficiência do processo de conversão durante o armazenamento da energia mediante inibição de reações paralelas. No presente trabalho, foram obtidos e caracterizados catodos constituídos de carbonos duros (GrH) sintetizados na presença (GrH-Nb) e ausência (GrH) de pentóxido de nióbio (Nb2O5), onde os flocos de grafite comercial (Gr) foram dispersos numa mistura adequada contendo agentes plastificantes e endurecedores. Comparados ao Gr comercial, verificou-se que os GrHs exibiram moderada condutividade elétrica e excelente resistência aos desgastes químicos e erosivos em meio ácido. A resistividade dos GrHs é fortemente dependente da quantidade de Nb2O5. Os GrHs foram caracterizados em célula eletroquímica de vidro convencional de único compartimento contendo três eletrodos usando as técnicas de voltametria de varredura linear e cíclica. Os parâmetros cinéticos referentes às reações de desprendimento de hidrogênio (RDH) e de oxigênio (RDO) foram determinados usando a Lei de Tafel. Verificou-se que os eletrodos GrH-Nbs e GrHs ampliam significativamente o intervalo de potencial frente ao Gr comercial devido forte inibição cinética da RDH e RDO. Os estudos cinéticos usando o método proposto por Nicholson-Shain revelaram que a constante cinética heterogênea (k0) para a sonda redox de ferro varia com a composição dos GrHs. Foi confeccionado um dispositivo BFI para os estudos na condição de fluxo tendo-se como processo anódico o par redox Fe0/Fe2+ e como processo catódico o par Fe2+/Fe3+. O GrH-Nb contendo 10% de Nb2O5 (28 Ω cm) foi escolhido para uso como cátodo. Os compartimentos catódico e anódico foram separados usando a membrana Nafion® 117 da Dupont para evitar que o contato entre os íons Fe3+ do catodo e o Fe0 do anodo promovessem a reação redox direta que inibe a reação de pilha/galvânica desejada. Verificou-se uma força eletromotriz (FEM) para a BFI de 1,053 V. Os estudos preliminares de carga-descarga galvanostática (GCD) revelaram uma excelente eficiência coulômbica (> 99%) para um total de 300 ciclos consecutivos. Os resultados obtidos até a ocasião da qualificação permitem afirmar que os GrHs são materiais promissores para aplicação em BFIs.

Description

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.

Keywords

Baterias de fluxo de íons ferro, Eletrodos de carbono duro sintético, Material condutor contendo pentóxido de nióbio, Estudo cinético, Iron ion flow batteries, Synthetic hard carbon electrodes, Conductive material containing niobium pentoxide, Kinetic study.

Citation

MOURA, Wallace de Jesus. Estudo cinético de caracterização de carbonos duros condutores e o armazenamento de energia em baterias de fluxo usando íons de ferro. 2024. 66 p. Dissertação (Mestrado em Química) – Programa de Pós-Graduação em Química, Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, Diamantina, 2024.

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