Óxido de Nb nanotubular aplicado como eletrodo de supercapacitor

Abstract

Matrizes de nanotubos de óxido de metais de transição auto ordenadas, como o nióbio, têm atraído ampla atenção científica devido às suas propriedades únicas, como alta mobilidade iônica e grande área específica de superfície. Este óxido nanoestruturado é promissor para aplicação em dispositivos de armazenamento de energia. Dentre as várias rotas de produção dessas nanoestruturas, a anodização eletroquímica proporciona o crescimento de um filme de nanotubos alinhados perpendicularmente à superfície do substrato com comprimento de tubo bem definido por meio de um processo típico de auto-organização. Este trabalho apresenta uma rota simples para a obtenção, por anodização potenciostática, de uma camada de nanotubo de óxido de nióbio alinhada diretamente formada sobre substrato metálico, para a aplicação em supercapacitores. Para isso, empregou-se um eletrólito de glicerol contendo 0,4 M de NH4F e 0,9% de H2O. As amostras de nióbio foram submetidas à anodização potenciostática com potencial 90 V e temperatura de 20ºC. Análise de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi empregada para realizar a caracterização morfológica. O comportamento capacitivo deste filme foi investigado por voltametria cíclica e teste carga e descarga galvanostática em eletrólito aquoso de Na2SO4 1M, em uma janela de potencial de -0,2 a -1,2 V vs. Ag/AgCl e em H2SO4 1M na janela de potencial de -0,25 a -0,75 V vs Ag/AgCl. As imagens de MEV revelaram a obtenção de uma camada de óxido nanotubular integralmente distribuída sobre o substrato metálico nióbio. A camada de óxido amorfo nanotubular obtido em 60 min de anodização apresentou capacitância específica em torno de 20 mF/cm² Na2SO4 e de 103 mF/cm² em H2SO4, ambas para a densidade de corrente de 1 mA/cm². Essa ótima resposta capacitiva pode estar associada a uma maior área de superfície alcançada através da camada de óxido nanoestruturada obtida. A substancial resposta capacitiva da camada de óxido obtido representa um resultado promissor para a aplicação deste material como eletrodo capacitor eletroquímico. A morfologia nanotubular incrementa a capacitância, não apenas em razão da sua maior área de superfície específica, mas além disso, como essas estruturas de óxido estão verticalmente alinhadas diretamente sobre o metal Nb, isso deve proporcionar uma melhor direcionalidade para o transporte de íons, o que consequentemente também melhora a capacitância.

Self-ordered oxide nanotube arrays of transition metals, such as niobium, have attracted wide scientific attention due to their unique properties such as high ion mobility and great surface specific area. This nanostructured oxide is promising to application in energy storage devices. Among the various routes to produce these nanostructures, the electrochemical anodization provides the growth of a nanotubes film aligned perpendicularly to the substrate surface with well-defined tube length through a typical self-organizing process. This work presents a simple route to obtaining an aligned niobium oxide nanotube layer directly formed on the metal substrate by potentiostatic anodization, for supercapacitors application. For this an glycerol electrolyte containing NH4F at 0.4 M and 0.9% H2O was employed. The niobium samples were subjected to potentiostatic anodization at 90 V and 20ºC. The scanning electron microscopy (SEM) was employed to perform the morphological characterization. The capacitive behavior of this film was investigated by cyclic voltammetry and galvanostatic charge discharge testing in 1M Na2SO4 aqueous electrolyte, in a potential window from -0.2 to -1.2 V vs. Ag/AgCl and in H2SO4 1M at the potential window from -0.25 to -0.75 V vs Ag/AgCl. The SEM images has revealed the achievement of a integrally distributed nanotubular oxide layer on metallic niobium substrate. The nanotubular amorphous oxide layer obtained in the anodization presented a specific capacitance about 20 mF/cm² and 103 mF/cm² in H2SO4, both at the current density of 1 mA/cm². This great capacitive response can be associated with the higher surface area achieved through nanostructured oxide layer obtained. The substantial capacitive response of the oxide layer obtained represent a promising result for the application of this material as electrochemical capacitor electrode. The nanotubular morphology increases the capacitance, not only due to its larger specific surface area, but in addition, as these oxide structures are vertically aligned directly on the Nb metal, this should provide better directionality for the transport of ions, which consequently also improves the capacitive response.