Please use this identifier to cite or link to this item:
http://hdl.handle.net/10773/22962
Title: | Metal oxide/carbon nanotubes heterostructures for electric double layer capacitors |
Other Titles: | Heteroestruturas de óxido metálico/nanotubos de carbono para condensadores de dupla camada elétrica |
Author: | Silva, Ricardo Manuel Fonseca Lopes |
Advisor: | Silva, Rui Ramos Ferreira e Pinna, Nicola |
Keywords: | Ciência e enegenharia dos materiais Nanotubos de carbono Óxidos metálicos Deposição química de vapor Heteroestruturas |
Defense Date: | 16-Mar-2017 |
Publisher: | Universidade de Aveiro |
Abstract: | O presente estudo teve como objetivo principal a elaboração e caracterização
de hétero-estruturas hibridas tridimensionais (3D) de nanotubos de carbono
alinhados verticalmente e revestidos com óxido de manganês para aplicações
em condensadores eletroquímicos como elétrodos livres de aditivos.
Numa primeira fase, foram desenvolvidas metodologias para o crescimento de
nanotubos de carbono puro e para nanotubos de carbono dopados com azoto,
em substratos isoladores e metálicos, por deposição química em fase de
vapor. Foi dada especial atenção ao crescimento direto de nanotubos de
carbono alinhados verticalmente no substrato metálico (Inconel®600) e sua
aplicação em elétrodos livres de aditivos à base de carbono. Posteriormente,
foi desenvolvido um processo inovador para a deposição de óxido de
manganês (Mn3O4) por deposição por camada atómica para o revestimento de
nanoestruturas, como os nanotubos de carbono, para a elaboração de
heteroestruturas. Estas foram devidamente caracterizadas como materiais
para aplicações em eléctrodos. A eficiência electroquímica dos eléctrodos
atinge um máximo para o nanocompósito de nanotubos de carbono puro/óxido
de manganês revestidos com 600 ciclos por deposição por camada atómica e
apresenta uma capacitância de 78.68 mF cm-2 a 5 mV s-1. Este resultado pode
ser atribuído ao efeito cooperativo entre os componentes do nanocompósito e
uma utilização eficaz dos materiais ativos. Provou-se que um material
nanocompósito que englobe a capacitância da dupla camada elétrica, bem
como a estrutura condutora dos nanotubos de carbono e a pseudocapacitância
dos óxidos metálicos é de grande interesse devido ao seu
mecanismo duplo de armazenamento de carga e as vantagens de cada
mecanismo são exploradas nestes novos dipositivos híbridos.
Este trabalho foi realizado na Universidade de Aveiro e na Universidade de
Humboldt (Berlim), beneficiando das infraestruturas adequadas à execução do
trabalho experimental de ambas as instituições e das competências
complementares das equipas de investigação associadas. Devido à natureza
multidisciplinar da área de investigação onde este doutoramento se insere, a
colaboração com outras instituições internacionais valorizaram a discussão
dos resultados obtidos e fundamentaram os novos materiais desenvolvidos The purpose of this work was the elaboration and characterization of hybrid three-dimensional (3D) arrays of vertically aligned carbon nanotubes coated with manganese oxide heterostructures for application as binder-free electrodes in electrochemical capacitors. In the first stage, methodologies to grow pure and nitrogen doped vertically aligned carbon nanotubes arrays on nonmetallic and metallic substrates by thermal chemical vapor deposition have been developed. Particular attention was devoted to obtain vertically aligned carbon nanotubes arrays grown directly on metallic conductive substrates (Inconel®600) and their application in binderfree carbon-based electrodes. Subsequently, as one of the main points of this work, a novel manganese oxide (Mn3O4) atomic layer deposition process has been developed for coating nanostructures, such as carbon nanotubes, for the elaboration of heterostructures which were further used and characterized as electrodes materials. The electrochemical performance of the electrodes reaches a maximum for the pure carbon nanotubes/manganese oxide nanocomposite coated with 600 ALD cycles exhibiting a specific capacitance of 78.68 mF cm-2 at 5 mV s-1. This result could be attributed to the synergetic effect between the components in the nanocomposite and an effective utilization of the active materials. Therefore it was demonstrated that a nanocomposite material comprising electric double layer capacitance together with the conductive framework of the carbon nanotubes and pseudocapacitive metal oxides is of great interest due to its dual charge storage mechanism and the advantages of each mechanism are exploited in these new hybrid devices. This work was carried out at University of Aveiro and at Humboldt-Universität zu Berlin due to complementary avaivable expertises and equipments, and also benefits of several international collaborations due to the multidisciplinar nature of the research field. |
Description: | Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais |
URI: | http://hdl.handle.net/10773/22962 |
Appears in Collections: | UA - Teses de doutoramento DEMaC - Teses de doutoramento |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
Thesis-Ricardo Silva.pdf | 8.98 MB | Adobe PDF | View/Open |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.