Heteroestruturas baseadas em manganitas de níquel e sulfetos de cobalto derivados do ZIF-67 para aplicações em supercapacitores híbridos

dc.contributor.advisor1Martins, Paulo Roberto
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0107474250870898
dc.contributor.referee1Martins, Paulo Roberto
dc.contributor.referee2Gonçalves, Josué Martins
dc.contributor.referee3Chagas, Rafael Pavão das
dc.creatorSilva , Raylander Rodrigues da
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/9440838095620059
dc.date.accessioned2026-05-28T13:57:00Z
dc.date.available2026-05-28T13:57:00Z
dc.date.issued2026-04-24
dc.description.abstractThe development of energy storage materials has intensified in response to the growing demand for more efficient and sustainable devices. In this work, a heterostructure based on nickel manganite (NiMn₂O₄) and cobalt sulfide derived from ZIF-67 (Co₃S₄) was developed for application as a positive electrode in hybrid supercapacitors. NiMn₂O₄ was synthesized via a hydrothermal route, while Co₃S₄ was obtained through sulfuration of ZIF-67, with both materials deposited in situ on nickel foam (NF) substrate. Thermogravimetric (TG) and derivative thermogravimetric (DTG) analyses enabled the identification of thermal events associated with precursor decomposition and phase formation after heat treatment. X-ray diffraction (XRD) patterns confirmed the formation of crystalline NiMn₂O₄ and Co₃S₄ phases, as well as the conversion of the ZIF-67 precursor after sulfuration and the coexistence of both phases in the heterostructure, with no evidence of secondary phases within the detection limit of the technique. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) revealed the presence of Ni, Mn, Co, S, and O elements, with multiple oxidation states for Ni, Mn, and Co, in addition to shifts in binding energy peaks, indicating modifications in the chemical environment associated with interfacial interactions between the phases. Morphological analyses by scanning electron microscopy (SEM) showed clear differences among the materials, including the formation of nanosheets for NiMn₂O₄, morphological changes after sulfuration of ZIF-67 to obtain Co₃S₄, and, for the NiMn₂O₄/Co₃S₄ heterostructure, the presence of aggregates composed of interconnected nanostructures, resulting in a heterogeneous morphology across the NF substrate. Transmission electron microscopy (TEM) and selected area electron diffraction (SAED) confirmed the crystalline and polycrystalline nature of the materials. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) verified the presence and elemental distribution of the constituent elements in the samples. The electrochemical performance was evaluated by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge–discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The CV curves displayed well-defined redox peaks, characteristic of faradaic processes and battery-type behavior. The NiMn₂O₄/Co₃S₄ heterostructure delivered a specific capacity of 266.85 mAh g⁻¹ at 1 A g⁻¹, outperforming the individual materials, along with lower charge-transfer resistance, indicating improved electrochemical kinetics. In cycling stability tests, the material retained approximately 71% of its initial capacity after 5000 cycles at 14 A g⁻¹. These results demonstrate that the NiMn₂O₄/Co₃S₄ heterostructure exhibits superior electrochemical performance compared with the individual materials, owing to synergistic interactions between the phases and enhanced charge transport, highlighting its potential for hybrid supercapacitor applications.eng
dc.description.resumoO desenvolvimento de materiais para armazenamento de energia tem se intensificado devido à crescente demanda por dispositivos mais eficientes e sustentáveis. Neste trabalho, foi desenvolvida uma heteroestrutura baseada em manganita de níquel (NiMn2O4) e sulfeto de cobalto derivado do ZIF-67 (Co3S4), com aplicação como eletrodo positivo em supercapacitores híbridos. O NiMn2O4 foi sintetizado por rota hidrotérmica, enquanto o Co3S4 foi obtido por sulfetação do ZIF-67, sendo ambos depositados in situ sob substrato de espuma de níquel (NF). As análises Termogravimétricas (TG) e de Termogravimetria Derivada (DTG) permitiram identificar os eventos térmicos associados à decomposição dos precursores e à formação das fases após tratamento térmico. Os difratogramas obtidos por Difração de Raios X (DRX) confirmaram a formação das fases cristalinas de NiMn2O4 e Co3S4, bem como a conversão do precursor ZIF-67 após a sulfetação e a coexistência das fases na heteroestrutura, sem evidência de fases secundárias dentro do limite de detecção da técnica. A Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios X (XPS) evidenciou a presença dos elementos Ni, Mn, Co, S e O, com múltiplos estados de oxidação para Ni, Mn e Co, além de deslocamentos nos picos de energia de ligação, indicando modificações no ambiente químico associadas à interação entre as fases. As análises morfológicas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) mostraram diferenças entre os materiais, sendo observada a formação de nanofolhas para o NiMn2O4, alterações morfológicas após a sulfetação do ZIF-67 para obtenção do Co3S4 e, para a heteroestrutura NiMn2O4/Co3S4, a presença de aglomerados constituídos por nanoestruturas interconectadas, resultando em uma morfologia heterogênea ao longo do substrato de NF. A Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) e a Difração de Elétrons de Área Selecionada (SAED) confirmaram o caráter cristalino e policristalino dos materiais. A Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia (EDS) confirmou a presença e distribuição dos elementos constituintes nas amostras. O desempenho eletroquímico foi avaliado por Voltametria Cíclica (CV), Carga e Descarga Galvanostática (GCD) e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE). As curvas de CV apresentaram picos redox bem definidos, característicos de processos faradaicos e comportamento do tipo bateria. A heteroestrutura NiMn2O4/Co3S4 apresentou capacidade específica de 266,85 mAh g⁻¹ a 1 A g⁻¹, superior aos materiais isolados, além de menor resistência à transferência de carga, indicando melhoria na cinética eletroquímica. Nos testes de estabilidade, o material apresentou retenção de aproximadamente 71% da capacidade inicial após 5000 ciclos a 14 A g⁻¹. Os resultados indicam que a heteroestrutura NiMn2O4/Co3S4 apresenta desempenho eletroquímico superior em relação aos materiais individuais, associado à interação entre as fases e à melhoria no transporte de carga, demonstrando potencial para aplicação em supercapacitores híbridos.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
dc.identifier.urihttps://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/15426
dc.languagePortuguêspor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentInstituto de Química - IQ (RMG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Química (IQ)
dc.relation.referencesDA SILVA, R. R. Heteroestruturas baseadas em manganitas de níquel e sulfetos de cobalto derivados do ZIF-67 para aplicações em supercapacitores híbridos. 2026. 121 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Instituto de Química, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2026.
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectArmazenamento de energiapor
dc.subjectSupercapacitores híbridospor
dc.subjectMofs e heteroestruturaspor
dc.subjectEnergy storageeng
dc.subjectHybrid supercapacitorseng
dc.subjectMOFs and heterostructureseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
dc.titleHeteroestruturas baseadas em manganitas de níquel e sulfetos de cobalto derivados do ZIF-67 para aplicações em supercapacitores híbridos
dc.title.alternativeHeterostructures based on nickel manganites and cobalt sulfides derived from ZIF-67 for applications in hybrid supercapacitorseng
dc.typeDissertação

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