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

Abstract

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.

Cotton pad derived carbon fibers (CF) are an excellent alternative as supercapacitor (SC) electrodes for their low cost, electrical conductivity, sustainability, and eco-friendliness. However, it is necessary to improve their electrochemical properties as an SC electrode material. Therefore, carbon fibers were modified with reduced graphene oxide (rGO) and cobalt oxide (Co₃O₄) to obtain the Co₃O₄/CF/rGO composite. This process was carried out in two stages: the first stage focused on the optimization of the calcination parameters of ZIF-67. It was determined that calcination at 350 °C and for 1 hour yielded Co-O bonds and crystalline Co₃O₄ phase, based on Raman spectra and X-ray diffraction peaks, respectively. The formation of Co₃O₄ with high oxygen content and the degradation of 2-methylimidazole is determined from the 43% increased O content during calcination. The second stage consisted of preparing Co₃O₄/CF/rGO through the pyrolysis of AA modified with graphene oxide and ZIF-67 at 800 °C for 3 hours in N2, followed by calcination at 350 °C for 1 hour to oxidize ZIF-67 into Co₃O₄. The resulting composite exhibited a surface area of 290 m2 g-1, much higher than CF and CF/rGO. Also, thermal treatment and the catalytic activity of Co3O4 resulted in a reduction of the ID/G ratio, indicating greater formation of sp2 vibrational modes and the emergence of associated microstructures.

Additionally, the incorporation of Co3O4 into Co₃O₄/CF/rGO increases the specific capacitance by 150%, with the composite exhibiting 319 F g-1 at 1 A g-1 in 3 mol L-1 KOH, with 70 % of the electric charge related to capacitive effects, while the remaining 30 % is related to faradaic effects arising from diffusional and pseudocapacitive (non-diffusional) processes. The pseudocapacitive component and the excellent electrochemical performance of Co₃O₄/CF/rGO make it a material with great potential for application in supercapacitor electrodes and a promising synthesis methodology for incorporating various oxides into carbon matrices derived from organic waste.