Desarrollo de estructuras tipo sándwich de materiales compuestos ZnAl ZDH modificados con grafeno en matriz de polipirrol para aplicaciones en supercondensadores

Abstract

[ES] La necesidad de buscar alternativas a los combustibles fósiles es una de los principales preocupaciones de la comunidad científica en la actualidad. Los supercondensadores son unos dispositivos que tienen la capacidad de almacenar una gran cantidad de energía eléctica con una mayor vida útil que las baterias. Este trabajo se circunscriben en éste ambito, en particular en la fabricación de materiales compuestos avanzados para ser usados en como electrodos en supercondensadores. Se busca una estructura de composite tipo sandwich para aúnar las propiedades de los diferentes constituyentes en el electrodo final. Otro objetivo muy importante para muchas aplicaciones es la posibilidad de que el electrodo se flexible, por lo que los substratos seleccionados fueron por un lado polietilentereftalato con una capa de óxidod e indio y estaño (PET/ITO) y por toro simplemente un substrato de algodón. Se han ensayado diferentes combinaciones de estructuras sandwich, obteniendo los mejores resultados al depositar primero estructuras de hidróxidos dobles laminares (LDH) de ZnAl, seguidos por una capa de óxido de grafeno reducido (rGO), para finalizar con la electropolimerización del polipirrol (PPy). Este tipología fue ensayada primero en el sustrato de PET/ITO y posteriormente en los de algodón. La capa de LDH fue depositada en el modo potenciostático mientras que el óxido de grafeno fue primeramente depositado por evaporación de una dispersión (drop-casting) para ser reducido posteriormente por voltametría cíclica.

Entre los parámetros principales analizados figuran la carga de grafeno, la entrecara LDH/rGO y el grado de reducción del GO. Una vez que los parámetros fueron optimizados en el sustrato de PET/ITO se pasó a al sustrato de tela reciclada de algodón donde la deposición del GO se realizó por filtración por vacío.

Los mejores resultados se lograron para la material de electrodo con estructura sándwich donde se sobre el sustrato de PET/ITO se depositaba LDH/rGOx2/PPy, alcanzando una capacitancia especifica de 5.42 mF/cm2. Los experimentos con algodón como substrato demostraron una buena estabilidad frente al plegado cíclico para el caso de la estructura sándwich algodón/rGOx3/PPy, alcanzando una capacitancia específica de 6.99 mF/cm2, con una retentividad del 75% después de 50 ciclos de doblado.

Este trabajo puede servir como base para futuras investigaciones que tengan en cuenta una ventana de electrodeposición más amplia para optimizar ulteriormente la capacitancia obtenida. Asimismo, otra posible variable a explorar sería la utilización de una membrana de policarbonato porosa como sustrato para la realización de membranas flexibles.

[EN] The need to find alternatives to the fossil fuel usage is one of the primary concerns of the scientists. Supercapacitors have the ability to store large amount of electricity and have a long cycle-life, compared to batteries. This work will focus on the fabrication of a novel composite electrode material based on the sandwich type composite structure, in order to confer all the useful properties of the different components to the final electrode material. One of the objectives is to create a flexible electrode so the substrates used were polyethylene terephthalate covered by an indium/tin oxide (PET/ITO) and cotton. Several combinations of the sandwich-type structure were tested, and the best results were obtained by depositing the layered double hydroxide(LDH) ZnAl first, followed by the reduced graphene oxide, and finally depositing the polypyrrole by electropolymerization. These components were deposited first on PET/ITO and then the experiments moved to the cotton substrate. The LDH was deposited by potentiostatic method and the graphene oxide was drop-casted before being reduced by cyclic voltammetry.

Various parameters such as the graphene oxide load, the LDH/rGO interface, the GO reduction were tested on the PET/ITO substrate and when the perfect combination was found, the experiments moved to the basic recycle fabric where the deposition of the graphene oxide was performed by vacuum filtration.

The result revealed that the best sandwich composite electrode material based on PET/ITO was LDH/rGOx2/PPy, reaching a specific capacitance of 5,42 mF/cm2. The cotton experiments demonstrated the good bending stability of the cotton/rGOx3/PPy, achieving a specific capacitance of 6,99 mF/cm2 with 75% retention after 50 bending cycles.

The perspectives of this work would be to change the electrodeposition parameters to see if a higher specific capacitance can be reached. Also, the polycarbonate membrane used for vacuum filtration could be a conceivable flexible substrate to explore.