Estruturas hierárquicas core@shell baseadas em óxido metálico binário associado a hidróxidos duplos lamelares derivados de MOFs para aplicação em dispositivos avançados de armazenamento de energia

dc.contributor.advisor1Martin, Paulo Roberto
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0107474250870898
dc.contributor.referee1Martins, Paulo Roberto
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0107474250870898
dc.contributor.referee2Gomes, Danielle Cangussu de Castro
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/5709288358367849
dc.contributor.referee3Silva Filho, Juvenal Carolino da
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/1223323473808888
dc.contributor.referee4Colmati Júnior, Flávio
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/0231242349462585
dc.contributor.referee5Nossol, Edson
dc.contributor.referee5Latteshttp://lattes.cnpq.br/9330436454964901
dc.creatorSilva, Cristiane Garcia
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/1868433691932986
dc.date.accessioned2026-07-13T13:39:13Z
dc.date.available2026-07-13T13:39:13Z
dc.date.issued2026-05-21
dc.description.abstractBased on rising consumption rates coupled with concerns about energy scarcity, this work explores alternative electroactive materials for the composition of advanced energy storage devices. Given this, this thesis proposes a methodology for obtaining core@shell structures using NiCo2O4 and MOF-derived LDHs. From this perspective, ZIF-67 and Mn-ZIF-67 structures served as models for obtaining CoNiLDH and CoMnNi-LDH, respectively, both of which were used in the construction of core@shell heterostructures. To that end, NiCo2O4 with a morphology similar to sea urchins served as an inner core to anchor CoNi-LDH nanosheets, as well as providing support for ultrathin CoMnNi-LDH nanosheets. Through X-ray diffraction analysis combined with Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy images, the effectiveness of the processes for obtaining core@shell type structures was proven. XPS spectra indicated the occurrence of metallic ions with oxidation states (Ni2+/Ni3+ and Co2+/Co3+) in all samples. In samples containing CoMnNi-LDH, manganese ions with oxidation states (Mn2+/Mn3+/Mn4+) were identified, and the multiple redox states enabled electron transfers and contributed significantly to increasing the conductivity of the materials. As a result, the NiCo2O4@CoNi-LDH core@shell material exhibited specific capacity values of 81.82 mAh g-1 at 1.0 A g-1 and capacity retention of 77.6% after 10,000 consecutive charge–discharge cycles at 20.0 A g-1 . Such evidence demonstrates the excellent cyclic stability and enhanced electrochemical performance exhibited by the core@shell material, where the charge transfer and diffusional contributions of NiCo2O4@CoNi-LDH coupled with the ordered arrangement of the core@shell structure resulted in an energetic cooperation capable of significantly improving the overall electrochemical characteristics of the material. Furthermore, the NiCo2O4@CoNi-LDH//AC hybrid supercapacitor device achieved a maximum power density of 1,198 W kg⁻¹, keeping a single LED on for more than 5 minutes, highlighting the excellent potential of NiCo2O4@CoNi-LDH in the composition of positive electrodes of advanced energy storage devices requiring high power performance. Furthermore, the insertion of Mn ions into the composition of Mn-ZIF67 and the subsequent production of CoMnNi-LDH enabled the electrochemical improvement of the NiCo2O4@CoMnNi-LDH core@shell heterostructure material xviii when compared to NiCo2O4@CoNi-LDH. The various nanoporous channels of trimetallic hydroxide enabled better ion diffusion, and the multiple redox sites expanded the electroactive surface area, consequently leading to increased electrical conductivity and improved reaction kinetics. As a result, the NiCo2O4@CoMnNiLDH core@shell structure exhibited a specific capacity of 139.42 mAh g-1 at 1.0 A g -1 and good charge capacity retention (51.6%) even after 10,000 consecutive charge and discharge cycles at 20.0 A g-1 .eng
dc.description.resumoFundamentado pelo aumento dos índices de consumo, associado a preocupação com a escassez das fontes de energia, este trabalho propicia alternativas de materiais eletroativos para a composição de dispositivos avançados de armazenamento de energia. Posto isto, nesta tese foi proposta uma metodologia de obtenção de estruturas core@shell empregando NiCo2O4 e LDHs derivados de MOF. Nessa perspectiva, estruturas de ZIF-67 e Mn-ZIF-67 serviram, respectivamente, como modelo para obtenção de CoNi-LDH e CoMnNi-LDH, ambos empregados na constituição das heteroestruturas core@shell. Para tanto, NiCo2O4 com morfologia semelhante a ouriço-do-mar serviu como núcleo interno para ancorar nanofolhas de CoNi-LDH, bem como forneceu suporte para nanofolhas ultrafinas de CoMnNiLDH. Por meio de análises de difração de Raios X em conjunto com imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura e Microscopia Eletrônica de Trasmissão ficou comprovado a efetividade dos processos de obtenção das estruturas tipo core@shell. Os espectros de XPS apontaram em todas as amostras a ocorrência de íons metálicos com estados de oxidação (Ni2+/Ni3+ e Co2+/Co3+). Nas amostras contendo CoMnNiLDH foram identificados íons manganês com estados de oxidação (Mn2+/Mn3+/Mn4+), sendo que os múltiplos estados redox viabilizaram as transferências de elétrons e contribuíram significativamente para o aumento da condutividade dos materiais. Como resultado, o material core@shell de NiCo2O4@CoNi-LDH exibiu valores de capacidade específica de 81,82 mAh g -1 a 1,0 A g -1 e retenção de capacidade de 77,6% ao final de 10.000 ciclos consecutivos de carga e descarga a 20,0 A g-1 . Tais evidências demonstram a excelente estabilidade cíclica e desempenho eletroquímico aprimorado exibido pelo material core@shell, onde as contribuições de transferência de carga e difusionais do NiCo2O4@CoNi-LDH aliadas ao arranjo ordenado da estrutura core@shell resultaram em uma cooperação enérgica capaz de melhorar significativamente as características eletroquímicas gerais do material. Ainda, o dispositivo supercapacitor híbrido de NiCo2O4@CoNi-LDH//AC alcançou uma densidade de potência máxima de 1.198 W kg⁻¹, mantendo um único LED aceso por mais de 5 minutos, destacando a excelente potencialidade do NiCo2O4@CoNi-LDH na composição de eletrodos positivos de dispositivos avançados de armazenamento de energia que exigem alto xvi desempenho de potência. Ademais, a inserção de íons Mn na composição do MnZIF-67 e posterior obtenção do CoMnNi-LDH viabilizou o aprimoramento eletroquímico do material da heteroestrutura core@shell de NiCo2O4@CoMnNiLDH quando comparado ao NiCo2O4@CoNi-LDH. Os vários canais nanoporosos do hidróxido trimetálico possibilitaram uma melhor difusão de íons e os múltiplos sítios redox ampliaram a área de superfície eletroativa, levando consequentemente ao aumento da condutividade elétrica e melhora da cinética de reação. Como resultado, a estrutura core@shell de NiCo2O4@CoMnNi-LDH exibiu uma capacidade específica de 139,42 mAh g-1 a 1,0 A g -1 e uma boa retenção de capacidade de carga (51,6%) mesmo após 10.000 ciclos consecutivos de carga e descarga a 20,0 A g-1.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq
dc.identifier.citationSILVA, C. G. Estruturas hierárquicas core@shell baseadas em óxido metálico binário associado a hidróxidos duplos lamelares derivados de MOFs para aplicação em dispositivos avançados de armazenamento de energia. 2026. 239 f. Tese (Doutorado em Química) – Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2026.
dc.identifier.urihttps://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/15538
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiás
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.departmentInstituto de Química - IQ (RMG)
dc.publisher.initialsUFG
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Química (IQ)
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectMateriais eletroativospor
dc.subjectEstruturas core@shellpor
dc.subjectLDHs derivados de MOFpor
dc.subjectDispositivos avançados de armazenamento de energiapor
dc.subjectElectroactive materialseng
dc.subjectCore@shell structureseng
dc.subjectMOF-derived LDHseng
dc.subjectAdvanced energy storage deviceseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA
dc.titleEstruturas hierárquicas core@shell baseadas em óxido metálico binário associado a hidróxidos duplos lamelares derivados de MOFs para aplicação em dispositivos avançados de armazenamento de energia
dc.title.alternativeHierarchical core@shell structures based on binary metal oxide associated with layered double hydroxides derived from MOFs for application in advanced energy storage deviceseng
dc.typeTese

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