Estudo da viabilidade de construção de capacitores baseados em eletrodo poroso e dielétrico de argila montmorilonita sódica decorada com nanopartículas de rutênio embebidas em líquido iônico

Abstract

Este trabalho de conclusão de curso foi desenvolvido com a ideia de reproduzir e analisar experimentalmente a produção de novos tipos de capacitores de placas paralelas a partir da confecção de materiais nanoestruturados. O intuito é de melhoria no seu desempenho para o possível uso como substituição ou complemento de baterias em circuitos eletrônicos. Foram confeccionadas placas de alumínio (eletrodos) nanoestruturadas com óxido de alumínio Al2O3 (alumina) anódica porosa sobre a superfície do metal e materiais dielétricos a partir do substrato da argila montmorilonita sódica (MMT-Na) decorada com nanopartículas de Rutênio (Ru) utilizando a técnica de deposição por magnetron sputtering vibracional. Para a análise morfológica e estrutural da argila, com e sem o recobrimento com as nanopartículas (NPs) e das nanoestruturas de alumina formadas por anodização, foram utilizadas técnicas de análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Usou-se também difração de raio X (DRX) e espectroscopia de raio X por dispersão em energia (EDS) para a análise elementar da MMT-Na. No decorrer deste trabalho foram desenvolvidos protótipos de capacitores de placas paralelas com a MMT-Na depositada e com os eletrodos de alumínio contendo um filme fino e poroso de alumina. Parâmetros de carga e descarga desses CPs foram adquiridos e comparados quanto à sua eficiência em comparação ao material dielétrico produzido em cada etapa. Os resultados foram bons para os testes usando MMT-Na decoradas com nanopartículas de rutênio como meio dielétrico entre as placas de alumínio, demostrando um aumento na capacitância do CP em comparação ao capacitor usando apenas liquido iônico. As nanoestruturas também se mostraram eficazes no aumento do acúmulo de carga.

This work was developed with the idea of reproducing and analyzing experimentally the the production of new capacitors of parallel plates using nanostructured materials. The intention is to improve its performance for possible use as a replacement or complement of batteries in electronic circuits. Aluminum plates (electrodes) nanostructured with aluminum oxide Al2O3 (alumina) on the surface of the metal and dielectric materials prepared from the sodium montmorillonite (MMT-Na) decorated with Ruthenium nanoparticles (Ru) using a vibration magnetron sputtering deposition technique were used. For the morphological and structural analysis of clay, with and without coating with nanoparticles (NPs) and alumina nanostructures formed by anodization, scanning electron microscopy (SEM) techniques were used. X-ray diffraction (XRD) and energy dispersion X-ray spectroscopy (EDS) were also used for the elemental analysis of MMT-Na. In the course of this work, prototypes of parallel plate supercapacitors were developed with deposited MMT-Na and aluminum electrodes containing a fine porous alumina film. Load and discharge parameters of these supercapacitors were acquired and compared for their efficiency compared to the dielectric material produced at each stage. The results were good for the tests using MMT-Na decorated with ruthenium nanoparticles as a dielectric medium between the aluminum plates, showing an increase in the capacitance of the CP compared to the capacitor using only ionic liquid. The nanostructures also proved to be effective in increasing area and charge accumulation.