Empirical-theoretical study of conducting polymers-based composites for conversion and storage of energy

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) The fast obsolescence of still functional devices causes an extensive e-waste generation and an exacerbated natural resources consumption for the manufacture of new products. In this sense, the development of abundant materials devices-based development, coupled with greater efficiency of conversion, use and storage of energy, are fundamental. Therefore, this thesis presents fundamental studies useful for understanding the behavior of these materials, as well as their applications. The polypyrrole (PPy) electronic structure and growth kinetics were studied using EIS and STM, obtaining important results regarding the exponential increase of the electroactive area during the polymer synthesis, as well as the behavior of its quasi-particles due to electrochemical doping. In addition, it was studied the application of a 2d polymer with graphene-like properties as its possible substitute. This material, called carbon nitride (C3N4), is widely known in the catalysis area, but still poorly explored in electrochemistry. Conductive polymer composites were studied as active materials for the conversion and storage of clean and inexpensive energy. As a result, it was obtained that this material is promising for application in metal-free capacitors, having a great cycling, above 5 K cycles, also increasing the lifespan of a supercapacitor based on PPy, besides obtaining the unprecedented value of 3.0 kF g-1. As for energy conversion, this material demonstrated better compatibility with polythiophene derivatives, promoting better photocurrent in less cathodic potentials, 3 times increase, versus only 2 times increase for reduced graphene oxide in the same conditions. It is concluded, therefore, that carbon nitride is an excellent material for applications in devices based on conductive polymers. A rápida obsolescência de dispositivos ainda funcionais causa uma extensa geração de resíduos sólidos e o consumo exacerbado de recursos naturais para a fabricação de novos produtos. Neste sentido, o desenvolvimento de dispositivos baseados em materiais abundantes, de obtenção limpa e simples, aliado à maior eficiência de conversão, uso e armazenamento de energia, são fundamentais. Portanto, a presente tese apresenta estudos fundamentais úteis para a compreensão do comportamento destes materiais, bem como suas aplicações. A estrutura eletrônica e a cinética de crescimento do polipirrol (PPy) foram estudados usando EIS e STM, obtendo resultados importantes quanto ao aumento de exponencial aumento de área eletroativa durante a síntese de polímero, bem como o comportamento de quase-partículas devido a dopagem eletroquímica. Além disso, estudou-se a aplicação de um polímero 2D com propriedades similares ao grafeno como o seu possível substituto. Este material, denominado nitreto de carbono (C3N4), é largamente conhecido na área de catálise, porém ainda pouco explorado na eletroquímica. Compósitos de polímeros condutores foram estudados como materiais ativos para conversão e armazenamento de energia limpa e barata. Como resultado, obteve-se que este material é promissor para aplicação em capacitores livres de metais, possuindo uma ótima ciclagem, acima de 5 k ciclos, aumentando também o tempo de vida de um supercapacitor à base de PPy, além de obter o inédito valor de 3,0 kF g-1. Quanto à conversão de energia, esse material demonstrou uma melhor compatibilidade com derivados de politiofeno, promovendo uma melhor fotocorrente em potenciais menos catódicos, aumento de 3x, contra apenas 2x para o óxido de grafeno reduzido em mesmas condições. Conclui-se, portanto, que o nitreto de carbono é um material excelente para aplicações em dispositivos baseados em polímeros condutores. CNPq: 166203/2014-9 CAPES-PVE: A090/2013