Microbaterias bioinspiradas baseadas em quinonas

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Bertaglia, Thiago
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: anthraquinone; antraquinona; armazenamento de energia; bioinspiração; bioinspiration; energy storage; hidrogel supramolecular; microbateria; microbattery; supramolecular hydrogel
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75134/tde-24112025-163314/

Dia após dia, nossa sociedade sedenta por energia necessita de quantidades crescentes de energia elétrica, e lidar com essa questão tem atraído intensa atenção de pesquisadores e formuladores de políticas em todo o mundo. Um dos principais desafios atualmente é garantir o desenvolvimento contínuo da humanidade, ao mesmo tempo em que se alivia a pressão ambiental causada pelo uso generalizado de fontes não renováveis. Nesse contexto, compostos orgânicos são alternativas promissoras de materiais eletroativos para tecnologias de armazenamento de energia confiáveis, mais sustentáveis e econômicas, graças à sua notável resposta eletroquímica e diversidade estrutural. Por exemplo, quinonas são importantes transportadoras de elétrons nos ciclos bioenergéticos que possibilitam a vida e, recentemente, têm sido o foco de intensa pesquisa no campo de armazenamento de energia. Com base nisso, este doutorado foca na aplicação de derivados de antraquinona como materiais de eletrodo para o desenvolvimento de microbaterias (MBs) semissólidas, utilizando ferricianeto como material catódico. Esta tese é dividida em dois capítulos, cada qual descrevendo em profundidade o desenvolvimento de uma MB diferente. O primeiro capítulo descreve a síntese e aplicação da 4-((9,10-antraquinona-2-il)oxi)butirato (2-BEAQ), um composto auto-gelificante que forma um hidrogel termorreversível e pseudoplástico após dissolução em 1 mol L-1 KOH, denominado BEAQ-gel. Este capítulo apresenta a caracterização da 2-BEAQ e do BEAQ-gel por técnicas eletroquímicas e espectroscópicas, culminando na sugestão de um mecanismo de gelificação da 2-BEAQ. Além disso, este capítulo descreve o desenvolvimento completo de uma MB vestível, desde a produção do invólucro flexível até sua montagem e caracterização. A MB BEAQ-gel Ferricianeto-XG-gel forneceu uma voltagem e uma potência excelentes e compatíveis com sensores vestíveis de baixo consumo energético, demonstrando a viabilidade do emprego de hidrogéis supramoleculares à base de antraquinona como materiais de eletrodo para a produção de MBs semissólidas. A escalabilidade da tecnologia foi demonstrada pela produção de uma bateria vezes maior, que demonstrou densidade de potência e voltagem similares. O segundo capítulo lida com o desenvolvimento de coletores de corrente à base de carbono impressos por ink direct writing e sua subsequente aplicação na produção de uma MB orgânica. Por meio da ativação da superfície dos coletores de corrente, demonstrou-se uma melhora cinética na reação eletroquímica do ferricianeto, ao passo que nenhum efeito foi observado na cinética da antraquinona-2,7-ácido sulfônico (2,7-AQDS). Além disso, este capítulo apresenta uma completa caracterização das superfícies ativadas e não-ativadas por meio de espectroscopia vibracional Raman, microscopia eletrônica de varredura (SEM) e técnicas eletroquímicas. Sua última seção detalha o completo desenvolvimento de uma MB 2,7-AQDS Ferricianeto e sua caracterização por técnicas de corrente e voltagem controladas. Esta bateria apresentou uma performance singular em uma alta densidade de corrente de -200 µA cm-2 e alta ciclabilidade a ±500 µA cm-2, sugerindo a possibilidade de atuar como uma MB secundária. Além disso, duas montagens em série utilizando 3 e 5 células demonstraram uma alta voltagem de 2,35 e 3,70 V, permitindo sua aplicação em dispositivos eletrônicos comercialmente disponíveis, como, por exemplo, uma calculadora. Em suma, este trabalho atesta a viabilidade de empregar eletrodos semissólidos baseados em compostos orgânicos para a produção de MBs com notável performance e contribui para o avanço do campo de armazenamento de energia. Esta tese também contribui para um melhor entendimento de hidrogéis supramoleculares por meio da demonstração dos mecanismos envolvidos na formação de hidrogéis supramoleculares à base de antraquinonas.