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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O presente trabalho consistiu no desenvolvimento de compósitos a partir da matriz óxido de grafeno (GO) para serem aplicados em eletrodos de supercapacitores. Os supercapacitores são dispositivos eletroquímicos que conseguem armazenar grandes quantidades de energia (carga) e possuem a habilidade de liberá-la rapidamente, sendo aplicados em diversas áreas na sociedade. O desenvolvimento dos compósitos baseou-se na melhoria da quantidade de carga armazenada no eletrodo. Foi estudado o comportamento de diversas cargas adicionadas a matriz GO sendo essas cargas o nitreto de carbono (g-C3N4), nitreto de boro (BN), nanotubos de carbono helicoidais (h-CNTs), carbono mesoporo, e sulfetos metálicos de Ni e Co. A matriz GO foi obtida através da oxidação do grafite mineral pelo método de Hummers modificado. Os compósitos foram obtidos pelo método solvotérmico onde foi fixada a quantidade de 20% m/m de carga adicionada à matriz. Os compósitos foram caracterizados pelas técnicas de Difração de Raios X (DRX), Análise Termogravimétrica (TG), Espectroscopia Raman, Microscopias Eletrônicas de Varredura e Transmissão (MEV/MET), Espectroscopia de Raios X por Energia Dispersiva (EDS), Voltametria Cíclica, Curvas de carga-descarga e isotermas de adsorção e dessorção de nitrogênio. A área superficial específica foi obtida pelo método BET. Pelas caracterizações realizadas foi possível observara formação de GO com poucas camadas, e que o mesmo foi reduzido, levando a formação do óxido de grafeno reduzido (rGO), durante o preparo dos compósitos pelo método solvotérmico. Por meio da caracterização eletroquímica, os compósitos apresentaram comportamento puramente capacitivo, operando pelo mecanismo de dupla camada elétrica, no qual os sistemas rGO/CoNiS, rGO/h-CNT/CoS, rGO/CoS e rGO/h-CNT apresentaram capacitância específica de 292, 173, 150 e 136 F.g-1 respectivamente. Os compósitos apresentaram melhorias nas suas capacitâncias específicas se comparada a matriz GO, e mostraram ser candidatos promissores a serem aplicados como eletrodos para supercapacitores. The present work consisted in the development of composites using graphene oxide as matrix (GO) to be applied as supercapacitor electrodes. Supercapacitors are electrochemical energy storage devices that can store large amounts of energy (charge) and can release this stored energy quickly, being applied in several areas of society. The development of composites was based on the improvements of charge storaged of the electrode, and for this purpose the behavior of several charges added to the GO matrix was studied, with these charges being carbon nitride (g-C3N4), boron nitride (BN), helical carbon nanotubes (h-CNTs), mesoporous carbon, and metallic Ni and Co sulfides. The GO matrix was obtained through the oxidation of mineral graphite by the modified Hummers method. The composites were obtained by the solvothermal method in which the amount of 20% w/w of load was fixed to matrix. The composites were characterized by the techniques of X-Ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TG), Raman Spectroscopy, Scanning and Transmission Electron Microscopies (SEM / TEM), X-ray Spectroscopy by Dispersive Energy (EDS), Cyclic Voltammetry, charge-discharge curves and nitrogen adsorption and desorption isotherms. The specific surface area was obtained using the BET method. Through the characterizations performed it was possible to observe the formation of GO with few layers, and that it was reduced, leading to the formation of reduced graphene oxide (rGO), during the preparation of the composites by the solvothermal method. Through electrochemical characterization, the composites showed a purely capacitive behavior, operating by the double layer electrical mechanism, in which the rGO/CoNiS, rGO/h-CNT/CoS, rGO/CoS and rGO/h-CNT systems showed specific capacitance of 292, 173, 150 and 136 F.g-1 respectively. The composites showed improvements in their specific capacitances when compared to the GO matrix, and showed to be promising candidates to be applied as electrodes for supercapacitors.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior The chemical preparation of the 2D MoS2 from the mineral was pursued in this work with the aim of make available a nanomaterial for energy and sensing devices. A method for exfoliation of MoS2 was developed by testing the effect of differing parameters of sonication in a mixed solvent of IPA and water. A ratio of 3:7 IPA and water and a specific sonication intensity of 30% of 130 W and 20 KHz was found to give the most favourable results where mono and very few layer MoS2 with a reasonable lateral size of 400 to 500 nm were obtained. These nanosheets were characterised using dynamic light scattering in suspension and the deposited material was characterised by atomic force microscopy, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and Raman spectroscopy. Through the modification of the exfoliation of MoS2 by intercalation of Li+ ions to the MoS2 nanosheets, a novel electrode for supercapacitor was studied. A composite of reduced graphene oxide (rGO) and MoS2 was prepared, this composite involved synthesising an aerogel by a self-assembly reduction of GO, MoS2 was deposited onto this aerogel and its electrochemical properties were probed. An aerogel of pure rGO and an rGO/MoS2 were both studied to compare their performance as electrodes for a supercapacitor. The aerogel supercapacitor devices using Li2SO4 electrolyte were characterised using cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge and electrochemical impedance spectroscopy. The supercapacitor based on rGO/MoS2 aerogel composite electrodes gave a capacitance of 140.4 F g-1 which was an increase of 62% over the pure rGO aerogel electrode and a capacitance retention of 85% after 5000 cycles. A humidity sensor was developed by using exfoliated MoS2 and microfiber cellulose. This sensor was very sensitive to water vapour in the air and would respond very quickly to the presence of humidity by becoming much more conductive with the resistance of the device dropping by around 25%. The sensor would return to its resting resistivity of around 100 MΩ when exposed to N2. A preparação química do MoS2 2D a partir do mineral foi investigada neste trabalho com o objetivo de disponibilizar um nanomaterial para dispositivos de energia e sensoriamento. Um método para esfoliação do MoS2 foi desenvolvido testando-se o efeito da variação de parâmetros da sonicação em um solvente misto de IPA e água. Uma proporção de 3:7 IPA e água e uma intensidade de sonicação específica de 30% de 130 W e 20 KHz foi a parametrização que forneceu os resultados mais favoráveis quando obtidas uma ou muito poucas camadas de MoS2 com um tamanho lateral razoável de 400 a 500 nm. Estas nanofolhas foram caracterizadas utilizando-se espalhamento dinâmico de luz em suspensão e o material depositado foi caracterizado por microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de transmissão, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia Raman. Através da modificação da esfoliação do MoS2 pela intercalação de íons de Li+ em nanofolhas de MoS2, um novo eletrodo para supercapacitor foi estudado. Um composto de óxido de grafeno reduzido (rGO) e MoS2 foi preparado, este composto envolveu a síntese de um aerogel por uma auto-organização redutiva de GO; MoS2 foi depositado sobre este aerogel e suas propriedades eletroquímicas foram sondadas. Um aerogel de rGO puro e um de rGO/ MoS2 foram ambos estudados para comparar seu desempenho como eletrodos para um supercapacitor. Os dispositivos supercapacitores de aerogel utilizando eletrólito de Li2SO4 foram caracterizados utilizando voltametria cíclica, carga-descarga galvanostática e espectroscopia de impedância eletroquímica. O supercapacitor baseado em eletrodos compósitos de aerogel rGO/ MoS2 forneceu uma capacitância de 140.4 F g-1, que foi um aumento de 62% em relação ao eletrodo de aerogel de rGO puro e uma retenção de capacitância de 85% após de 5000 ciclos. Um sensor de umidade foi desenvolvido utilizando MoS2 esfoliado e microfibra de celulose. Este sensor foi muito sensível ao vapor de água no ar e respondeu rapidamente à presença de umidade, tornando-se muito mais condutor, com a resistência do dispositivo caindo em torno de 25%. O sensor retornava à sua resistividade de repouso de cerca de 100 MΩ quando exposto ao N2.

No presente trabalho foram preparados onze distintos supercapacitores (nas configurações simétrica e assimétrica) contendo diferentes materiais ativos de eletrodos e eletrólitos do tipo ionogel. O principal foco da pesquisa foi a construção de dispositivos flexíveis que fornecessem altas capacitância e densidades de energia (superiores a 10 Wh.Kg-1), sem comprometimento da ciclabilidade, isto é, que operassem por um grande número de ciclos. As escolhas dos ionogéis foram feitas de modo a possibilitar a construção de supercapacitores (SCs) flexíveis. Foram avaliados três diferentes ionogéis, os quais foram preparados a partir da adição de líquidos iônicos (LIs) a matrizes de poli (liquidos iônicos) -PLIs. Três matrizes de PLIs e três diferentes LIs foram selecionados por possuírem o mesmo ânion e cátions parecidos, a fim de melhorar a compatibilidade desses compostos. Os ionogéis de concentração de 50% (em massa) de LI foram escolhidos por fornecer boas condutividades iônicas e janelas de potencial (2,5V), sem comprometimento da estabilidade mecânica dos géis, permitindo com isso a construção de SCs na configuração tipo sanduíche (eletrodo ¿ ionogel ¿ eletrodo), sem a necessidade de uso de separadores. Para o preparo do ionogel 1 foi usado o PLI [EPIm][FSI] e o LI [EMIm][FSI]. Já para o ionogel tipo 2, usou-se o PIL [EPIm][TFSI] e o LI [EMIm][TFSI]. Por sua vez, no ionogel tipo3, foram empregados o PLI [A2M2Am][TFSI] e o LI [MPPy][TFSI]. O ionogel tipo 1 foi o que forneceu maiores valores de condutividade iônica. Os ionogeis 1 e 2 exibiram aspecto gelationoso, proporcionando boa aderência aos materiais dos eletrodos e assim, possibilitando o preparo de SCs flexíveis. Em contrapartida, o ionogel 3, um filme de aspecto ceroso, promoveu o descolamento dos materiais do eletrodo dos coletores correntes, sendo portanto, inadequado para a construção de dispositivos flexíveis. Os materiais ativos dos eletrodos foram: (i) nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados (f-MWCNT), (ii) óxidos de grafeno reduzido (r-GO) e (ii) nanocompósitos (r-GO:f-MWCNT), sendo estes dois últimos sintetizados via redução com hidrazina. A composição dos nanocompósitos baseou-se em dados da literatura que indicava que nesta concentração, os CNT atuariam como espaçadores entre as folhas de r-GO, proporcionando uma maior área superficial para a formação da dupla camada elétrica na interface eletrodo/eletrólito. Os SCs foram preparados com esses eletrodos na configuração simétrica, isto é, ambos os eletrodos de mesmo material e também assimétrica com eletrodos distintos (um eletrodo de r-GO e outro de f-MWCNT). Os dados da caracterização eletroquímica mostraram que o supercapacitor assimétrico (r-GO ¿ Ionogel 1 ¿ f-MWCNT) apresentou o melhor desempenho eletroquímico fornecendo altos valores de capacitância, densidade de energia e de potência, com pouco variação desses parâmetros ao longo de 2000 ciclos de operação. Neste trabalho, destaca-se duas contribuições inéditas importantes ao estado da arte de supercapacitores: (i) desenvolvimento de eletrólitos géis do tipo PLI/LI (ionogéis tipo 1 e 2) de alta aderência aos materiais do eletrodo (contribuindo para diminuição da resistência de contato) e (ii) descrição completa do comportamento dos diferentes supercapacitores sólidos e flexíveis desenvolvidos com determinação simultânea da voltagem das células e dos potenciais de cada eletrodo. In the present work, eleven different supercapacitors (in the symmetric and asymmetric configurations) were prepared containing different active materials for the electrodes and ionogel type electrolytes. Themain focus of the research was the construction of flexible devices that provide high capacitances and energy densities (greater than 10 Wh Kg-1), without compromising the cyclability. The ionogels choicewas made in order to allows the construction of flexible supercapacitors (SCs). Three different ionogels were evaluated, which were prepared with the addition of ionic liquids (ILs) to poly (ionic liquids) matrices - PILs. Three matrices of PILs and three ILs were selected to have the same anion and similar cations in order to improve the compatibility between these compounds. The ionogels with 50wt% of IL were chosen once they provide good ionic conductivities and potential windows (2.5V), withoutcompromising the mechanical stability of the gels, thus allowing the construction of SCs in the sandwich configuration (electrode|ionogel|electrode) without the need of separators. For the preparation of ionogel 1 the PIL [EPIm] [FSI] and the IL [EMIm] [FSI] were used. For type 2 ionogel, the PIL [EPIm] [TFSI] and the IL [EMIm] [TFSI] were employed. In the type 3 ionogel, the PIL [A2M2Am] [TFSI] and the IL[MPPy] [TFSI] were chosen. The type I ionogel provided the highest values of ionic conductivity. The ionogels 1 and 2 exhibited gelationous appearance, providing good adhesion to the electrode materialsand thus, making possible the preparation of flexible supercapacitors. In contrast, ionogel 3, a waxy-like film, promoted detachment of electrode materials from current collectors, and it is therefore unsuitablefor the construction of flexible devices. The active materials of the electrodes were: (i) functionalized multi-walled carbon nanotubes (f-MWCNT), (ii) reduced graphene oxides (r-GO) and (ii) nanocomposites (r-GO: f-MWCNT). The composition of the nanocomposites was based on data from the literature that indicates that in this concentration the CNTs would act as spacers between the sheets of rGO, providing a larger surface area for the formation of the electrical double layer in theelectrode/electrolyte interface. The supercapacitors were prepared with these electrodes in the symmetrical configuration, ie both electrodes of the same material, and also in the asymmetric one with different electrodes (one electrode of r-GO and another electrode of f-MWCNT. The electrochemical characterization data showed that the asymmetric supercapacitor (r-GO|Ionogel 1|f-MWCNT) presented the best electrochemical performance providing high capacitance, energy and power densities, with little variation of these parameters over 2000 operating cycles. In this work, two important new contributionsto the state of the art of supercapacitors are highlighted: (i) the development of gel electrolytes of type PIL/IL (ionogels types 1 and 2) with high adhesion to the electrode materials (decreasing the contactresistances) and (ii) complete description of the behavior of the different solid and flexible supercapacitors with simultaneous determination of the voltage of the cells and the potentials of each electrode.

Este trabalho de doutorado aborda o estudo de nanomateriais de carbono e líquidos iônicos, visando a elaboração de capacitores eletroquímicos de dupla camada elétrica (supercapacitores) com propriedades eletroquímicas melhoradas, como molhabilidade, compatibilidade eletrólito/eletrodo, capacitância e densidades de energia e potência. Desenvolver eletrodos de nanomateriais de carbono que forneçam características desejáveis de condutividade e porosidade, permitindo o fácil acesso dos íons de eletrólitos à superfície dos mesmos, é um desafio a ser superado em supercapacitores, especialmente no caso dos sistemas com eletrólitos líquidos iônicos (LI) que são constituídos por íons volumosos. Em uma primeira etapa, foi realizado o estudo da síntese do óxido de grafite (GrO) e óxido de grafeno (GO) via micro-ondas, com o objetivo de obter os nanomateriais de carbono a serem utilizados no desenvolvimento dos trabalhos posteriores com a otimização do processo de síntese dos mesmos. Na segunda etapa deste trabalho, foi realizado o estudo da incorporação do óxido de grafeno (GO) em diferentes líquidos iônicos, visando a construção de um eletrólito compósito que proporcionasse maior compatibilidade do eletrólito com o eletrodo de grafeno. Dentre os LIs estudados, o trietilsulfônio bis(trifluorometilsulfonil)imida ([SET3][TFSI]) mostrou valores superiores de condutividade e estabilidade eletroquímica. Supercapacitores baseados no LI puro e no LI-GO 0,1% em massa tendo como eletrodo o óxido de grafeno reduzido (rGO) foram investigados. O supercapacitor rGO/[SET3][TFSI]/rGO mostrou um valor de capacitância de 95,8 F g-1, enquanto o supercapacitor rGO/[SET3][TFSI]-GO/rGO exibiu uma capacitância de 125,3 F g-1, ambos caracterizados por voltametria cíclica,com velocidade de varredura de 5 mV s-1 trabalhando em uma faixa de 2,5 V, o que demonstra um aumento de 31% em capacitância devido à presença de GO no LI. As imagens de MEV indicaram que o eletrólito compósito LI-GO aumenta a compatibilidade do líquido iônico com o eletrodo rGO, favorecendo a acessibilidade dos íons do eletrólito à superfície do eletrodo.Na terceira etapa do trabalho propôs-se a síntese de compósitos de rGO com líquido iônico incorporado em sua superfície para aplicação como eletrodos em supercapacitores. Foram sintetizados materiais utilizando a expansão térmica via microondas em etapa única, e a redução química utilizando a hidrazina como agente redutor. As propriedades térmicas, morfológicas e eletroquímicas desses materiais foram ii estudadas buscando-se estabelecer correlações de estrutura-propriedade. Dentre os materiais sintetizados via expansão térmica, o supercapacitor à base do rGO/LI-150 mostrou um valor de capacitância de 13,7 F g-1, sendo este valor superior aos demais materiais, enquanto o material sintetizado via redução química, rGO/LI, mostrou uma capacitância de 70 F g-1, sendo ambos caracterizados por VC com velocidade de varredura de 5 mV s-1 trabalhando em uma faixa de 3,0 V. Portanto, os nanomateriais de carbono desenvolvidos neste trabalho e os supercapacitores construídos apresentaram bons resultados de propriedades eletroquímicas, e podem ser candidatos para a preparação de supercapacitores eletroquímicos. In this work, the study of carbon nanomaterials and ionic liquids was conducted aiming the production of electrochemical double electric layer capacitors (supercapacitors) with improved electrochemical properties such as wettability, electrolyte /electrode compatibility, capacitance, and energy and power densities. The development of carbon nanomaterials electrodes that provide desirable conductivity and porosity characteristics, which guarantees an easy access of electrolyte ions to their surface, is a challenge to be overcome in supercapacitors. This challenge is especially relevant in systems with ionic liquid (IL) based electrolytes due to the large volume of ions. In a first stage, the study of the synthesis of graphite oxide (GrO) and graphene oxide (GO) by microwave was carried out with the objective of obtaining the carbon nanomaterials to be used in the development of the later works with the optimization of the process of their synthesis. In the second stage, the study of graphene oxide (GO)incorporation in different ILs was carried out, aiming the construction of a composite electrolyte that would provide greater compatibility of the electrolyte with the graphene electrode. Among the ILs studied, triethylsulfonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([SET3][TFSI]) showed higher conductivity values and enhanced electrochemical stability. Supercapacitors based on pure ILs and 0.1 wt% ILs-GO were investigated with reduced graphene oxide (rGO) as electrode. The supercapacitor rGO/[SET3][TFSI]/rGO showed a capacitance of 95.8 F g-1, while a capacitance of 125.3 F g -1 was obtained for the supercapacitor rGO/[SET3][TFSI]-GO/rGO, both characterized by cyclic voltammetry (CV) with 5 mV.s-1 scan rate performing at a 2.5V. These results show 31% capacitance increasing due to the GO presence in ILs. SEM images indicated that the ILs-GO composite electrolyte increases the IL compatibility with the rGO electrode, favoring the electrolyte ions accessibility to the electrode surface. In the third stage of this work, it was proposed the synthesis of rGO compositeswith ionic liquid incorporated onto its surface for application as electrodes for supercapacitors. The materials were synthesized using a single stage microwave thermal expansion and a chemical reduction using hydrazine as the reducing agent. The thermal, morphological and electrochemical properties of these materials were studied in order to establish structure-property correlations. Among the materials synthesized by thermal expansion, the supercapacitor based on RGO/IL-150 showed 13.7 F g-1 capacitance value. This value is higher than the other materials, while the material synthesized via chemical reduction, IL, showed a capacitance of 70 F g-1, both being characterized byCV with 5 mV s-1 scan rate performing in 3.0 V. Therefore, the carbon nanomaterials developed in this work and the constructedsupercapacitors showed good electrochemical properties, which highlights its potential application for electrochemical supercapacitors preparation.

Neste trabalho foi realizado um estudo fundamental de diferentes materiais (grafeno, nanotubos de carbono, líquidos iônicos e poli(líquido iônico)) visando aplicação no preparo de capacitores eletroquímicos de dupla camada (supercapacitores). As propriedades térmicas, morfológicas e elétricas desses materiais foram estudadas buscando-se estabelecer correlações de estrutura-propriedade. Os líquidos iônicos estudados apresentaram boa estabilidade térmica e eletroquímica, além de condutividade adequada para seu emprego como eletrólito de supercapacitores. As nanofolhas de óxido de grafeno reduzido, tanto puras (RGO) quanto modificadas com poli(líquido iônico) (PIL:RGO), mostraram-se adequadas para utilização como materiais de eletrodo. Supercapacitores na configuração empilhada, foram construídos a partir desses materiais e capacitâncias de até 71,5 F/g a 25 °C foram obtidas. O uso de poli(líquido iônico) como material componente dos eletrodos dos supercapacitores mostrou ser uma estratégia promissora para o preparo de dispositivos com alta eficiência capacitiva. Nanofolhas de óxido de grafeno reduzido e nanotubos de carbono de paredes múltiplas foram utilizadas no preparo de supercapacitores na configuração planar. Utilizando tal configuração foi possível explorar ao máximo da área superficial dos nanomateriais de carbono para o desenvolvimento de dispositivos miniaturizados com características ultrafinas. A combinação de RGO e nanotubos de carbono mostrou ser adequada, uma vez que dispositivos com capacitâncias de até 153,7 F/g a 25 °C foram obtidos. Os dispositivos tanto na configuração empilhada quanto planar apresentaram bons valores de densidade de energia e potência, além de longa estabilidade eletroquímica, são compactos e podem ser explorados para a preparação de dispositivos flexíveis. In this work a fundamental study of different materials (graphene, carbon nanotubes, ionic liquids and poly(ionic liquid)) was performed in order to direct application in the preparation of double layer electrochemical capacitors (supercapacitors). Thermal, morphological and electrical properties of these materials were studied seeking to establish structure-property correlations. Some studies with ionic liquids exhibited good thermal and electrochemical stability, and adequate conductivity for its use as electrolyte in supercapacitors. The reduced graphene oxide nanosheets, either pure (RGO) or modified with poly (ionic liquid), were suitable for use as electrode materials. Supercapacitors in the stacking configuration were constructed from these materials and capacitances up to 71.5 F/g at 25 °C were obtained. The use of poly (ionic liquid) as component material of the supercapacitors electrodes proved to be a promising strategy for achieving devices with high efficiency capacitive. Reduced graphene oxide nanosheets and multi-walled carbon nanotubes were used in the preparation of supercapacitors with in plane configuration. Using this structure it was possible to exploit the maximization in the surface area of the carbon nanomaterials for the development of miniaturized devices with ultrathin characteristics. The combination of RGO and carbon nanotubes proved to be suitable, since those devices with capacitances up to 153.7 F/g at 25 °C were obtained. The devices in both configuration (stacking and in plane) presented good values of energy density and power, long electrochemical stability, compact format and possibility of preparation in flexible shape.

Neste trabalho capacitores eletroquímicos baseados em materiais nanoestruturados de carbono e líquidos iônicos foram estudados por espectroscopia de impedância, voltametria cíclica e ciclos galvanostáticos de carga e descarga. Previamente ao estudo dos capacitores eletroquímicos, líquidos iônicos com diferentes cátions foram caracterizados para a seleção de uma classe destes materiais com propriedades mais promissoras para o uso como eletrólito em dispositivos de armazenamento de energia. O líquido iônico 1-Butil-2,3-dimetilimidazólio bis(trifluorometilsulfonil)imida foi escolhido, entre as amostras estudadas, por apresentar condutividade iônica na ordem de mS.cm-1, em temperatura ambiente e apresentar elevada estabilidade eletroquímica. Após a escolha do líquido iônico mais promissor seguiu-se com o preparo de um eletrólito compósito baseado no líquido iônico e em uma argila mineral do tipo montmorilonita. O eletrólito compósito apresentou uma pequena redução nos valores de condutividade, em relação ao líquido iônico separadamente. Porém, esta redução foi compensada pelo aumento na temperatura máxima de trabalho e na estabilidade mecânica deste eletrólito. Eletrodos produzidos com nanotubos de carbono funcionalizados de paredes duplas, nanofolhas de grafeno oxidado e nanofolhas de grafeno reduzido foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura, mostrando as diferenças morfológicas geradas pela escolha dos diferentes nanomateriais. Capacitores eletroquímicos usando o líquido iônico selecionado foram estudados com o líquido iônico suportado em papel de filtro e com o novo eletrólito compósito (líquido iônico:argila). Os resultados do capacitor eletroquímico, completamente sólido, que utiliza o eletrólito compósito se mostraram os mais promissores. Valores de capacitância específica de 104 F/g são atingidos a 200°C e 4V de potencial. Além disso, o comportamento capacitivo deste dispositivo foi mantido em 200°C, valor máximo de temperatura de trabalho duas vezes maior que os capacitores eletroquímicos atuais. Valores de densidade de energia de 17 Wh/Kg foram atingidos para estes capacitores em temperaturas de 120°C e 200°C, comparáveis aos resultados reportados na literatura. Electrochemical capacitors based on carbon nanostructured materials and ionic liquids were studied by impedance spectroscopy, cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge cycles. Previously to the capacitor studies ionic liquids with different cations were characterized in order to select the best type of ionic liquid to use as electrolyte in energy storage devices. The ionic liquid 1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide was chosen due to its high ionic conductivity, mS.cm-1 at room temperature, and its elevate electrochemical stability. This ionic liquid was used to prepare a new type of composite electrolyte based on the ionic liquid and montmorillonite clay. The composite electrolyte presented a slightly reduction in ionic conductivity values compared to neat ionic liquid. However, this conductivity reduction was compensated to improvement of work temperature and mechanical stability of this composite electrolyte. Different kinds of carbon materials were used to prepare electrodes: functionalized double-walled carbon nanotubes, graphene oxide nanosheets and reduced graphene oxide nanosheets. Electrodes were analyzed by scanning electron microscopy showing morphological differences for each kind of nanomaterial used. Electrochemical capacitors using the best ionic liquid were studied with the ionic liquid supported in a filter paper and with the new composite electrolyte (ionic liquid:clay). Solid electrochemical capacitor results were promising. Specific capacitance of 104 F/g was reached at 200°C and 4V potential. Furthermore the capacitor behavior of the devices working at 200°C was established. The maximum temperature work to electrochemical capacitors previously reported was 100°C. Energy density of 17 Wh/Kg was reached at 120°C and 200°C, those values are in the same range of results reported in literature.

Neste trabalho foi realizado um estudo fundamental de diferentes materiais (blendas, compósitos e eletrólitos poliméricos), todos no estado sólido, preparados com homopolímeros de poli(óxido de etileno) e poliuretana termoplástica a base de poliéter e copolímeros de poliéteres, empregando-se LiClO4 como fonte de íons, negro de fumo nanoestruturado e nanotubo de carbono de parades múltiplas como cargas condutoras. Adicionalmente, efetuou-se uma aplicação direta desses materiais no preparo de capacitores eletroquímicos de dupla camada no estado sólido (supercapacitores). As propriedades térmicas, morfológicas e elétricas dos materiais foram avaliadas, buscando-se correlação estruturas x propriedades. Desenvolveu-se uma metodologia reprodutível e de baixo custo para o preparo de fluídos e deposição de camadas. Foram preparados eletrólitos sólidos poliméricos cujos valores de condutividade iônica, a temperatura ambiente, estão entre os melhores valores descritos na literatura. Obteve-se boa dispersão dos materiais de carbono nas matrizes poliméricas, em suspensão e no estado sólido. Nanocompósitos com condutividade da ordem de 10-5 S/cm foram produzidos com baixos limiares de percolação (principalmente nos sistemas com nanotubos de carbono). O preparo de nanocompósitos poliméricos com nanotubos de carbono é um tema atual da nanociência e, o grande desafio encontrado nessa área, relacionado com a dispersão dos nanotubos, foi vencido neste trabalho. Efetivou-se a construção de capacitores eletroquímicos de dupla camada totalmente sólidos, com dimensões que permitem miniaturização, preparados com material polimérico, nos quais problemas de vazamento de eletrólitos são evitados. O capacitor preparado com eletrodo compósito com 10% de negro de fumo em matriz PEO:NPPP apresenta performance, acessada pela capacitância específica (F/g), superior a outros capacitores sólidos descritos na literatura e com ciclabilidade de mais de 1000 ciclos. In this work, a fundamental study of different materials (blends, composites and polymeric electrolytes), all in the solid state, was accomplished. These materials were prepared with poly(ethylene oxide) and thermoplastic polyurethane (polyether based) homopolymers and polyether copolymers, using LiClO4 as ions source, nanostructured carbon black and multi-wall carbon nanotube as conductive fillers. Additionally, a direct application of those materials, in the preparation of all solid state double layer electrochemical capacitors (supercapacitors) was achieved. The thermal, morphologic and electric properties of the materials were appraised, looking for correlation between structures and properties. A reproductive and low cost methodology for fluid preparation and layers deposition was developed. Solid polymer electrolytes were prepared having values of ionic conductivity, at room temperature, among the best ones described in the literature. It was obtained good dispersions of carbon materials, both in suspension and in the solid state. Nanocomposites with conductivity of the order of 10-5 S/cm were produced with low percolation thresholds (mainly in the systems with carbon nanotubes). The preparation of polymeric nanocomposites with carbon nanotubes is a current theme in nanoscience and, the big challenge found in this area, related with the nanotubes dispersion, was won in this work. The construction of all solid state double layer electrochemical capacitors having dimensions that allow miniaturization, prepared with polymeric material, avoiding problems of leakage of electrolytes, was executed. The capacitor prepared with composite electrode with 10% of carbon black and PEO:NPPP as polymeric matrix, presents performance, accessed by the specific capacitance (F/g), superior the other solid capacitors described in the literature, and with cyclability of more than 1000 cycles.