Desenvolvimento e caracterização de elétrodos baseados em grafeno para desionização capacitiva

Abstract

Este trabalho tem como objetivo a síntese e caracterização de elétrodos de grafeno induzidos por laser (LIG), com o intuito de serem testados num sistema de desionização capacitiva (CDI) para remoção de iões da água. Este estudo foi desenvolvido em colaboração com a Bosch Termotecnologia S.A (Aveiro) no âmbito do projeto ”Smart Green Homes”. A síntese dos elétrodos de LIG foi efetuada através da utilização de um polímero comercial Kapton (poliimida (C22H10O5N2)), sobre o qual se fez incidir um feixe laser (comprimento de onda 10,6 μm). O processamento deste material foi efetuado com alteração de diversos parâmetros que influenciam a estrutura do mesmo, nomeadamente a velocidade de varrimento do feixe laser. A caracterização do LIG e de elétrodos comerciais foi realizada através de técnicas de análises eletroquímicas (cronocoulometria e voltametria cíclica), espetroscopia de Raman e microscopia eletrónica de varrimento. De modo a caracterizar os elétrodos num sistema de CDI, foi desenvolvido um protótipo de testes, permitindo assim o estudo do seu funcionamento tanto no modo de corrente constante, como tensão constante. Através da análise dos ciclos de carga e descarga (com fluxo de água) foi possível avaliar o desempenho do sistema em diferentes condições, variando o número de elétrodos, o material que os constituem e a concentração de sal na água. Assim, foi possível verificar qual a influência dos diferentes parâmetros no desempenho final do sistema. Tanto para os elétrodos de LIG, como para os comerciais, os resultados dos ciclos de carga/descarga apresentaram um comportamento capacitivo, contudo, para os primeiros o desempenho registado é significativamente inferior no que diz respeito à carga acumulada, considerando a mesma área geométrica de elétrodo. Este facto deve-se essencialmente à diferença de cerca de 2 ordens de grandeza na área de superfície entre os dois materiais. No entanto, quando a comparação é feita em termos de área efetiva, os valores de carga acumulada são semelhantes nos dois casos. Assim, tendo em conta os resultados obtidos, complementados com o custo reduzido associado à produção do LIG, é possível afirmar que este material pode ter um papel competitivo na tecnologia de CDI, desde que a sua área de superfície seja otimizada

The purpose of this work is the synthesis and characterization of laser induced graphene (LIG) to be tested as electrode in a capacitive deionization (CDI) system for water deionization. This work was developed in cooperation with Bosch-Thermotechnology S.A (Aveiro) in the scope of the project “Smart Green Homes”. The synthesis of LIG was accomplished by irradiating a commercial polymer (poliimide (C22H10O5N2)) with a CO2 laser beam to promote its graphenization. The processing of this material was performed through modification of several parameters that are known to influence its structure and morphology, namely laser scanning speed. The characterization of LIG and the commercial electrodes was carried out through techniques such as electrochemical analysis (chronocoulometry and cyclic voltammetry), Raman spectroscopy and scanning electron microscopy. In order to characterize the electrodes on a capacitive deionization system, a prototype cell was developed, which allowed the study of the electrodes’ performance both in constant current and constant voltage modes. By the analysis of the charge/discharge cycles (performed under water flux), it was possible to evaluate the influence of the different tested conditions: number of electrodes, electrode material and salt concentration in the tested water. For both electrodes, the charge/discharge curves show a capacitive behavior. However, the results of accumulated charge for LIG are significantly inferior comparing to the commercial electrode, when the geometrical area of the electrode is taken into account. Though, if one considers the effective surface area, the results for accumulated charge are similar for both materials. Thus, the obtained results, together with the reduced costs associated to the LIG production, suggest that LIG may play a significant role as electrode material for the CDI technology, provided that its surface area is optimized