Compostos de coordenação visando o desenvolvimento de eletrodos para armazenamento e conversão de energia
dc.contributor.advisor1 | Martins, Paulo Roberto | |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0107474250870898 | |
dc.contributor.referee1 | Martins, Paulo Roberto | |
dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/0107474250870898 | |
dc.contributor.referee2 | Gomes, Danielle Cangussu de Castro | |
dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/5709288358367849 | |
dc.contributor.referee3 | Gonçalves, Josué Martins | |
dc.contributor.referee3Lattes | http://lattes.cnpq.br/8271818229699538 | |
dc.creator | Campos, Iara Schlag Durães | |
dc.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/7796026134748945 | |
dc.date.accessioned | 2025-06-02T19:20:18Z | |
dc.date.available | 2025-06-02T19:20:18Z | |
dc.date.issued | 2025-04-29 | |
dc.description.abstract | In this work, two materials based on ZIF-67/Ni(OH)2 and CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2 were obtained in order to evaluate their electrochemical performances in both energy storage and conversion. A class of compounds called MOFs are three-dimensional structure consisting of a metal center and organic ligands. One class of MOFs is called ZIFs, which are materials with a tetrahedral zeolite-type topology with a central element – typically Zn or Co – that connects to each other through oxygen atoms. Therefore, two MOFs (ZIF-67 and CoFe-ZIF-67) were synthesized through the reaction between their metal precursors (cobalt acetate and iron sulfate) with 2- methylimidazole, while Ni(OH)2 was synthesized, in-situ, using the Tower method followed by electrochemical treatment of the electrodes. The composites were obtained by deposition of MOFs on a 1 cm2 of a fluorine-doped tin oxide substrate (FTO), using the drop-casting technique, followed by the deposition of Ni(OH)2 on the modified electrodes with the MOFs using the spin-coating technique. Through the X-Ray Diffraction technique it was possible to identify that the MOFs are in their amorphous form. Nickel hydroxide is in fact a nickel glycerolate, with a single characteristic diffraction peak located in the region close to 2θ = 10°, and the composites are strongly influenced by the structure of the nickel glycerolate, since the only diffraction peak presented is in the same region of 2θ = 10°, however with less intensity. In addition, the morphology of the MOFs was studied through Transmission Electron Microscopy, demonstrating their nanoparticle structures with the presence of interference fringes with an average distance of 0,130 nm (CoFe-ZIF67) and 0,125 nm (ZIF-67). The Scanning Electron Microscopy technique was also used in morphological studies, helping to understand the way in which the material is deposited on the FTO substrate. Energy dispersive spectroscopy (EDS) also contributed to the identification of the chemical elements present in the samples, such as cobalt, nitrogen, carbon, nickel, iron and oxygen, depending on the sample analyzed.The oxidation states of the metals in the composites were defined by means of X-Ray Photoelectron Spectroscopy, and for both ZIF-67/Ni(OH)2 and CoFe-ZIF67/Ni(OH)2 there is the presence of Co2+, Co3+, Ni2+ and Ni3+ ions, in addition to Fe2+ and Fe3+ ions being found in the CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2 composite. Through electrochemical studies, such as cyclic voltammetry processes and galvanostatic charge and discharge curves, it was possible to identify that the most promising material in the area of energy storage was ZIF-67/Ni(OH)2, since it presented the highest specific capacity (106,99 mAh.g-1 at 1 A.g-1 ) and its capacity retention was 71,63% after 5000 consecutive charge and discharge cycles at 12 A.g-1 , in addition to their energy storage processes being characterized as diffusional and faradaic. Electrochemical Impedance Spectroscopy studies were performed to investigate the charge transfer resistance values for the five materials. Based on the values found, the CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2 composite exhibits the lowest charge transfer resistance value related to the oxygen evolution process (7,6 Ω). Focused on the area of energy conversion, the material that presented the lowest overpotential value (at a current of 10 mA) in the water oxidation process during linear voltammetry readings was CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2, with a value of 0,43 V, in addition to exhibiting good stability x and durability over 10 consecutive hours of application of a fixed current of 10 mA. The development of these new composites aggregatesin different areas: ZIF67/Ni(OH)2 for energy storage systems and CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2 for energy conversion systems. Both materials showed positive results in their respective areas of study. | eng |
dc.description.resumo | Neste trabalho, dois compósitos baseados em ZIF-67/Ni(OH)2 e CoFe-ZIF67/Ni(OH)2 foram obtidos a fim de avaliar seus desempenhos eletroquímicos tanto no âmbito do armazenamento quanto da conversão de energia. Uma classe de compostos denominada MOFs são estruturas tridimensionais constituídas por um centro metálico e ligantes orgânicos. Uma das classes de MOFs são denominadas ZIFs, que são materiais com uma topologia tetraédrica do tipo zeólita com um elemento central – tipicamente Zn ou Co – que se conectam entre si por meio de átomos de oxigênio. Sendo assim, dois MOFs (ZIF-67 e CoFe-ZIF-67) foram sintetizados através da reação entre seus precursores metálicos (acetato de cobalto e sulfato de ferro) com 2-metilimidazol, enquanto que o Ni(OH)2 foi sintetizado, insitu, através do método Tower seguido por um tratamento eletroquímico dos eletrodos. Os compósitos foram obtidos através da deposição dos MOFs em uma superfície de 1 cm2 de um substrato de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), utilizando a técnica de drop-casting, seguido pela deposição do glicerolato de níquel sobre os eletrodos modificados com os MOFs utilizando a técnica de spin-coating. Através da técnica de Difração de Raios-X foi possível identificar que os MOFs estão em sua forma amorfa. Já o glicerolato de níquel apresentou um padrão de difração típico de um glicerolato metálico, com um pico de difração na região de 2θ = 10°. Os compósitos foram fortemente influenciados pela estrutura do glicerolato de níquel, já que o único pico de difração apresentado se encontra na mesma região de 2θ = 10°, contudo com menor intensidade. Junto a isso, a morfologia dos MOFs foi estudada através da Microscopia Eletrônica de Transmissão, demonstrando suas estruturas nanoparticuladas com a presença de franjas de interferência com distância média de 0,130 nm (CoFe-ZIF-67) e 0,125 nm (ZIF-67). A técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura também foi utilizada nos estudos morfológicos, auxiliando na compreensão da forma com que o material se encontra depositado no substrato de FTO. A espectroscopia dispersiva de energia (EDS) contribuiu para a identificação dos elementos químicos presentes nas amostras, como o cobalto, nitrogênio, carbono, níquel, ferro e oxigênio, dependendo da amostra analisada. Os estados de oxidação dos metais nos compósitos foram definidos por meio da Espectroscopia de Fotoelétrons de Raios-X, sendo que tanto para o ZIF-67/Ni(OH)2 quanto para CoFeZIF-67/Ni(OH)2 há a presença de íons Co2+, Co3+, Ni2+ e Ni3+, além de íons Fe2+ e Fe3+ serem encontrados no compósito de CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2. Por meio de estudos eletroquímicos, como processos de voltametria cíclica e curvas de carga e descarga galvanostáticas, foi possível identificar que o material mais promissor na área de armazenamento de energia foi o ZIF-67/Ni(OH)2, uma vez que ele apresentou a maior capacidade específica (106,99 mAh.g-1 em 1 A.g-1) e sua retenção de carga foi de 71,63% após 5000 ciclos consecutivos de carga e descarga a 12 A.g-1 , além de seus processos de armazenamento de energia serem caracterizados como difusionais e faradaicos. Estudos da Espectroscopia de Impedância Eletroquímica foram realizadas a fim de investigar valores de resistências de transferência de carga para os cinco materiais. Baseado nos valores encontrados, o compósito de CoFe-ZIF-viii 67/Ni(OH)2 exibe menor valor de resistência à transferência de carga referente ao processo de evolução de oxigênio (7,6 Ω). Voltado à área de conversão de energia, o material que apresentou menor valor de sobrepotencial (em uma corrente de 10 mA) no processo de oxidação da água durante as leituras de voltametrias lineares foi o CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2, com valor de 0,43 V, além de exibir boa estabilidade e durabilidade frente a 10 horas seguidas da aplicação de uma corrente fixa de 10 mA. O desenvolvimento desses novos compósitos agregam em áreas distintas: o ZIF67/Ni(OH)2 para sistemas de armazenamento de energia e o CoFe-ZIF-67/Ni(OH)2 para sistemas de conversão de energia. Ambos os materiais apresentaram resultados positivos em suas respectivas áreas de estudo. | |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq | |
dc.identifier.citation | CAMPOS, I. S. D. Compostos de coordenação visando o desenvolvimento de eletrodos para armazenamento e conversão de energia. 2025. 107 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2025. | |
dc.identifier.uri | http://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/14394 | |
dc.language | Português | por |
dc.publisher | Universidade Federal de Goiás | por |
dc.publisher.country | Brasil | por |
dc.publisher.department | Instituto de Química - IQ (RMG) | |
dc.publisher.initials | UFG | por |
dc.publisher.program | Programa de Pós-graduação em Química (IQ) | |
dc.rights | Acesso Aberto | |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
dc.subject | Estruturas metálicas orgânicas | por |
dc.subject | Metal organic frameworks | eng |
dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA | |
dc.title | Compostos de coordenação visando o desenvolvimento de eletrodos para armazenamento e conversão de energia | |
dc.title.alternative | Coordination compounds aiming at the development of electrodes for energy storage and conversion | eng |
dc.type | Dissertação |