Eletrodos para supercapacitores baseados em biochar modificado obtido a partir de fonte renovável
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2026-03-16
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Dias, Otávio Augusto Titton
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O biochar é um material carbonáceo versátil e de baixo custo quando comparado a outros materiais de carbono, o qual pode ser obtido pela pirólise de diferentes biomassas, tais como resíduos agroindustriais. Dentre as diversas aplicações em que pode ser inserido, o biochar tem se mostrado promissor como componente em eletrodos para dispositivos de armazenamento de energia (baterias e supercapacitores). O objetivo deste trabalho é avaliar a potencial aplicação do biochar obtido a partir de resíduos de casca de arroz como eletrodo em supercapacitores em substituição aos tradicionais materiais de carbono atualmente empregados. Para isso, o biochar foi obtido a partir da pirólise da casca de arroz, resíduo abundante no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. Os experimentos foram conduzidos em duas fases distintas. Na Fase 1, realizou-se um estudo da modificação de carvão ativado comercial por meio de tratamentos químicos com ácido sulfúrico (H2SO4) e ácido fosfórico (H3PO4) e deposição dos metais Cobre (Cu), Níquel (Ni) e Cobalto (Co) via sputtering para fins de comparação. Foram realizadas caracterizações morfológicas, químicas e estruturais por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV-FEG), Espectroscopia de dispersão de energia de raios-X (EDS), Espectroscopia de Fóton Elétrons excitados por Raios-X (XPS) e isotermas de sorção e dessorção de N2. Na Fase 2, a casca de arroz serviu como precursor para a obtenção do biochar por meio de duas rotas de processamento diferentes, visando comparar e aprimorar as propriedades superficiais do biochar de casca de arroz e a resposta eletroquímica dos eletrodos produzidos com o mesmo. Na Rota 1, foi realizada uma etapa térmica (pirólise) seguida do tratamento químico com os ácidos sulfúrico e fosfórico. As temperaturas de pirólise nesta rota foram 750, 850 e 950 °C com taxa de aquecimento de 10°C.min-1. Na Rota 2, após a primeira etapa térmica (pirólise a 500 °C e taxa de aquecimento de 5 °C.min-1), o tratamento químico com ácido fluorídrico (HF) precedeu uma etapa de ativação física com vapor a 700 °C. O biochar obtido da casca de arroz em ambas as rotas, foi caracterizado quanto à sua estrutura cristalina por meio de difração de raios-X (DRX) e Espectroscopia Raman, quanto à sua estrutura química por meio de Espectroscopia no Infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e EDS e quanto à morfologia e estrutura de poros por meio de MEV-FEG e propriedades texturais via isotermas de sorção e dessorção de N2, pelo método de Brunauer, Emmett, Teller (BET). O desenvolvimento dos eletrodos em ambas as Fases (1 e 2) foi realizado pela técnica de "slurry" e caracterizado quanto a sua capacitância específica, capacidade de carga e descarga e impedância, através de medidas eletroquímicas para avaliar a viabilidade de utilização em dispositivos de armazenamento de energia. Obteve-se uma densidade de energia de 3,29 kWh/kg e potência de 9900 W/kg para o biochar da casca de arroz frente à 1,68 kWh/kg e 4942 W/kg, respectivamente, para o carvão ativado comercial. O biochar de casca de arroz tratado com ácido fluorídrico (HF) e ativado a vapor a 700 °C atingiu uma área superficial específica de 313 m2.g-1 e os eletrodos com ele produzidos alcançaram valores de capacitância específica de 61,5 F.g-1, frente à 37,7 F.g-1 do carvão ativado comercial tratado com ácido sulfúrico. A partir dos resultados obtidos neste estudo, foi possível concluir que a casca de arroz apresenta o potencial de substituir o carvão ativado comercial para a aplicação como eletrodo em dispositivos de armazenamento de energia, especialmente supercapacitores. [resumo fornecido pelo autor]
Resumo
Biochar is a versatile and low-cost carbonaceous material compared to other carbon materials, which can be obtained by pyrolysis of different biomasses, such as agro-industrial waste. Among the various applications in which it can be used, biochar has shown promise as a component in electrodes for energy storage devices (batteries and supercapacitors). The objective of this work is to evaluate the potential application of biochar obtained from rice husk waste as an electrode in supercapacitors, replacing the traditional carbon materials currently used. For this purpose, biochar was obtained from the pyrolysis of rice husk, an abundant residue in the state of Rio Grande do Sul, Brazil. The experiments were conducted in two distinct phases. In Phase 1, a study was carried out on the modification of commercial activated carbon through chemical treatments with sulfuric acid (H2SO4) and phosphoric acid (H3PO4) and deposition of the metals Copper (Cu), Nickel (Ni) and Cobalt (Co) via sputtering for comparison purposes. Morphological, chemical, and structural characterizations were performed using Scanning Electron Microscopy (SEM- EG), Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), X-ray Photon-Electron Spectroscopy (XPS), and N2 sorption and desorption isotherms. In Phase 2, rice husk served as a precursor for obtaining biochar through two different processing routes, aiming to compare and improve the surface properties of rice husk biochar and the electrochemical response of the electrodes produced with it. In Route 1, a thermal step (pyrolysis) was performed followed by chemical treatment with sulfuric and phosphoric acids. The pyrolysis temperatures in this route were 750, 850, and 950 °C with a heating rate of 10 °C.min-1. In Route 2, after the first thermal stage (pyrolysis at 500 °C and a heating rate of 5 °C.min-1), chemical treatment with hydrofluoric acid (HF) preceded a physical activation stage with steam at 700 °C. The biochar obtained from rice husk in both routes was characterized in terms of its crystalline structure by X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy, its chemical structure by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and EDS, and its morphology and pore structure by SEM-FEG and textural properties via N2 sorption and desorption isotherms, using the Brunauer, Emmett, Teller (BET) method. The development of electrodes in both Phases (1 and 2) was carried out using the "slurry" technique and characterized in terms of their specific capacitance, charge and discharge capacity, and impedance, through electrochemical measurements to evaluate the feasibility of use in energy storage devices. An energy density of 3.29 kWh/kg and a power of 9900 W/kg were obtained for rice husk biochar compared to 1.68 kWh/kg and 4942 W/kg, respectively, for commercial activated carbon. Rice husk biochar treated with hydrofluoric acid (HF) and steam-activated at 700 °C reached a surface area of 313 m².g⁻¹, and the electrodes produced with it achieved specific capacitance values of 61.5 F.g⁻¹, compared to 37.7 F.g⁻¹ for commercial activated carbon treated with sulfuric acid. Based on the results obtained in this study, it was possible to conclude that rice husk has the potential to replace commercial activated carbon for use as an electrode in energy storage devices, especially supercapacitors. [resumo fornecido pelo autor]