Electrodeposited MnO2 films on nickel foam: performance enhancement via ionic liquid incorporation for supercapacitor applications
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Data
2025-09-15
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Resumo
Este trabalho investiga a eletrodeposição de dióxido de manganês (MnO2) sobre substratos de espuma de níquel, com foco na influência de aditivos à base de líquidos iônicos sobre a morfologia dos filmes depositados e seu desempenho eletroquímico, visando aplicações em supercapacitores. O MnO2 foi depositado por cronoamperometria a partir de uma solução aquosa de acetato de manganês e sulfato de sódio, com diferentes tempos de deposição (60-300 s). Dois líquidos iônicos, [BMIM][BF4] e [TEA-PS][BF4], foram introduzidos no banho de deposição em diferentes concentrações (1%, 5% e 10% em relação `a massa de íons Mn2+) para avaliar seus efeitos na morfologia e/ou estrutura cristalina. A adição de [TEA-PS][BF4] não resultou em melhorias no desempenho eletroquímico nas condições avaliadas. Já a incorporação de [BMIM][BF4], especialmente na concentração de 5%, levou à modificações na microestrutura do filme, atribuídas a efeitos direcionadores de estrutura mediados por ligações de hidrogênio entre o cátion imidazólio e as superfícies de MnO2. Testes eletroqu´ımicos mostraram um aumento de 46,6% na capacitância específica (165 Fg –1 a 3 A·g –1) em comparação com o eletrodo não modificado. A análise do gráfico de Ragone confirmou densidades de energia e potência aprimoradas, com a mesma amostra atingindo uma densidade de energia de 24,72 Whkg–1 a uma densidade de potência de 1000 Wkg–1. Esses resultados demonstram o potencial da eletrodeposição assistida por líquidos iônicos para ajustar os mecanismos de crescimento do filme e melhorar o desempenho de armazenamento de carga de eletrodos à base de MnO2.
Resumen
Este trabajo investiga la electrodeposicíon de dioxido de manganeso (MnO2) sobre sustratos de espuma de nıquel, con enfoque en la influencia de aditivos basados en lıquidos ionicos sobre la morfologıa de las pelıculas depositadas y su desempeño electroquımico, con vistas a aplicaciones en supercapacitores. El MnO2 fue depositado por cronoamperometrıa a partir de una solucion acuosa de acetato de manganeso y sulfato de sodio, con diferentes tiempos de deposicion (60–300 s). Se introdujeron dos lıquidos ionicos, [BMIM][BF4] y [TEA-PS][BF4], en el baño de deposicion en distintas concentraciones (1%, 5% y 10% en relacion a la masa de iones Mn2+) para evaluar sus efectos sobre la morfologıa y/o estructura cristalina de los filmes. La adicion de [TEA-PS][BF4] no resulto en mejoras en el desempeño electroquımico en las condiciones evaluadas. En cambio, la incorporacíon de [BMIM][BF4], especialmente a una concentracíon del 5%, condujo a modificaciones en la microestructura del film, atribuidas a efectos direccionadores de estructura mediados por enlaces de hidrogeno entre el cation imidazolio y las superficies de MnO2. Pruebas electroquımicas mostraron un aumento del 46,6% en la capacitancia especıfica (165 F·g –1 a 3 A·g –1) en comparacíon con el electrodo no modificado. El analisis del grafico de Ragone confirmo densidades de energıa y potencia mejoradas, alcanzando dicha muestra una densidad de energıa de 24,72 Wh·kg–1 a una densidad de potencia de 1000 W·kg–1. Estos resultados demuestran el potencial de la electrodeposicíon asistida por lıquidos ionicos para ajustar los mecanismos de crecimiento del film y mejorar el desempeño de almacenamiento de carga de electrodos basados en MnO2.
Abstract
This work investigates the electrodeposition of manganese dioxide (MnO2) on nickel foam substrates, focusing on the influence of ionic liquid additives on the morphology of the deposited films and their electrochemical performance, targeting applications in supercapacitors. MnO2 was deposited via chronoamperometry from an aqueous solution of manganese acetate and sodium sulfate, with different deposition times (60–300 s). Two ionic liquids, [BMIM][BF4] and [TEA-PS][BF4], were introduced into the deposition bath at different concentrations (1%, 5%, and 10% relative to the mass of Mn2+ ions) to assess their effects on film morphology and/or crystal structure. The addition of [TEA-PS][BF4] did not lead to improvements in electrochemical performance under the evaluated conditions. In contrast, the incorporation of [BMIM][BF4], especially at a concentration of 5%, led to modifications in film microstructure, attributed to structure-directing effects mediated by hydrogen bonding between the imidazolium cation and MnO2 surfaces. Electrochemical tests showed a 46.6% increase in specific capacitance (165 F·g –1 at 3 A·g –1) compared to the unmodified electrode. Ragone plot analysis confirmed improved energy and power densities, with the same sample reaching an energy density of 24.72 Wh·kg–1 at a power density of 1000 W·kg–1. These results demonstrate the potential of ionic liquidassisted electrodeposition to tailor film growth mechanisms and enhance the charge storage performance of MnO2-based electrodes.
Descrição
Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto Latino-Americano de Ciências da Vida e da Natureza da Universidade Federal da Integração Latino-Americana como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Física Aplicada.
Palavras-chave
níquel, dióxido de manganês (MnO2), supercapacitores, eletrodeposição