Preparação de grafite expandida dopada com enxofre, oxigênio e nitrogênio por plasma frio para aplicação em supercapacitores

Abstract

Grafite expandida dopada simultaneamente com enxofre, nitrogênio e oxigênio (S,N,O-GE) foi preparada a partir de tratamento de plasma frio de mistura gasosa SO2/N2. As caracterizações morfológicas da amostra realizadas por MEV e TEM demonstraram exfoliação local da matriz em micro folhas de grafite. Essa característica foi confirmada por espectroscopia Raman, que apresentou razões ID/IG crescentes e proporcionais ao tempo de tratamento aplicado. As análises de Raman também indicaram a presença de heteroátomos na matriz, a partir do deslocamento e do aparecimento de sub-bandas na banda D da amostra tratada por 60 min. Análises de EDS, ICP OES e análise elementar confirmaram o aumento do teor de átomos de enxofre, nitrogênio e oxigênio na amostra com o aumento do tempo de tratamento por plasma. Análises de XPS demonstraram que grupos funcionais contendo enxofre, oxigênio e nitrogênio foram covalentemente inseridos na amostra. Para a amostra tratada por 60 min, foram identificadas as espécies de enxofre oxidado (81,08 %) e não oxidado (18,92 %) em 169,0/170,3 eV e 163,7/165,0 eV, respectivamente. O teor total de enxofre inserido atingiu 2,62 %. Nesta mesma amostra foram identificados grupos nitrogenados (0,51 % total) oxidados (84,97 %) e pirrólicos (15,03 %) em 402,01 eV e 400,1 eV, respectivamente. O teor total de oxigênio na amostra de 60 min atingiu 7,63 %, sendo desses 72,38 % provenientes de ligações simples O-C (532,6 eV) e 27,62 % de carbonilas (531,9 eV). A eficiência como eletrodo de supercapacitor do material preparado foi avaliada a partir de CV e GCD, onde melhorias de até 520 % (CV) e 410 % (GCD) nos valores de capacitância foram obtidas quando comparadas com a grafite expandida antes do tratamento.

Abstract: Sulfur, nitrogen, and oxygen simultaneously tri-doped expanded graphite (S,N,O- EG) was prepared by SO2/N2 non-thermal plasma treatment (NTP) of EG. Results obtained with SEM and TEM showed local exfoliation of the carbon matrix in the micro graphite layers caused by localized discharge densities. This was later confirmed by Raman spectroscopy, which showed that the ID /IG ratio increased with NTP treatment time. Raman spectroscopy results also showed new D sub-bands in the sample treated for 60 minutes, indicating the presence of heteroatoms in the carbon structure. The increasing incorporation of sulfur, nitrogen and oxygen atoms with treatment time was confirmed by EDS, ICP OES and elemental analysis. XPS analysis showed that all three atoms were covalently bonded to the carbon structure. Sulfur species (2.62 at%) were detected mainly in their oxidized form (81.08%, 169.0/170.3 eV), although unoxidized sulfur (18.92%, 163.7/165.0 eV) was also present. Similarly, nitrogen groups (0.51 at%) were identified as mainly oxidized (84.97%, 402.01 eV), and the presence of N-pyrrole groups (15.03%, 400.1 eV) was also confirmed. The oxygen groups (7.63 at%) were identified as O-C (72.38%, 532.6 eV) and O=C bonds (27.62%, 531.9 eV). The applicability of S,N,O- EG in supercapacitors was tested using CV and GCD, where the capacitance increased with heteroatom content. Plasma treatment of EG increased the capacitance by up to 520% (CV) and 410% (GCD) compared to the original sample.