Desarrollo de electrodos para supercapacitores a partir de fibras de carbono derivadas de almohadillas de algodón modificadas con óxidos de cobalto (Co3O4) derivados de ZIF-67

• Autor: Ñahuis Ortiz, Angel Bryan
• Formato: tesis de maestría
• Fecha de Publicación: 2025
• Institución: Universidad Nacional de Ingeniería
• Repositorio: UNI-Tesis
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:cybertesis.uni.edu.pe:20.500.14076/29078
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.14076/29078
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Supercapacitores; Supercondensadores; Óxidos metálicos; Almacenamiento de energía eléctrica; Fibras de carbono (CF); Óxidos de grafeno reducido (rGO); https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#1.04.03

El uso de fibras de carbono (CF) derivadas de almohadillas de algodón (AA) es una excelente alternativa para su aplicación en electrodos para supercapacitores (SCs), debido a su bajo costo, buena conductividad eléctrica, sustentabilidad y bajo impacto ambiental. Sin embargo, es necesario mejorar sus propiedades electroquímicas para optimizar su desempeño. En la presente investigación, las CF fueron modificadas con óxido de grafeno reducido (rGO) y óxido de cobalto (Co3O4), obteniéndose el Co3O4/CF/rGO. El proceso de síntesis se realizó en dos etapas: la primera, enfocada en la optimización de los parámetros de calcinación del ZIF-67, previamente sintetizado, para la obtención de Co3O4, determinándose que las mejores condiciones son a 350 °C por 1 h. Bajo estas condiciones, se confirmó la presencia de enlaces Co-O, así como picos de difracción característicos del Co3O4. Además, se evidenció un aumento del 43 % del contenido de O luego de la calcinación. La segunda etapa consistió en la preparación del Co3O4/CF/rGO mediante el pirólisis de las AA modificadas con óxido de grafeno y ZIF-67 a 800 °C por 3 h en N2, seguida de una calcinación a 350 °C por 1 h para la oxidación del ZIF-67 a Co3O4. La incorporación del Co3O4 en CF/rGO (150 m2 g-1) incrementó el área superficial específica en un 93 % (290 m2 g-1 para Co3O4/CF/rGO). Además, en conjunto con el tratamiento térmico y la actividad catalítica del Co3O4, se evidenció una disminución en el valor del índice ID/G, lo que se relaciona con una mayor formación de modos vibracionales del tipo sp2 y la aparición de microestructuras asociadas. Adicionalmente, la presencia de Co₃O₄ en la estructura de las CF/rGO mejoró significativamente su comportamiento electroquímico, incrementando la capacitancia específica en un 150 %. Como resultado, se alcanzó un valor de 319 F g⁻¹ a 1 A g⁻¹ en 3 mol L⁻¹ de KOH. De este total, el 70 % de la carga eléctrica se atribuye a efectos capacitivos, mientras que el 30 % restante está relacionado con efectos faradaicos, que incluyen procesos difusionales y de pseudocapacitancia no difusionales. La pseudocapacitancia, junto con el excelente comportamiento electroquímico del Co3O4/CF/rGO lo convierten en un material con gran potencial para aplicaciones en electrodos de SCs. Además, ofrece una metodología de síntesis innovadora para la incorporación de diversos óxidos en matrices carbonosas derivadas de residuos orgánicos.