Otimização de espinélios à base de cobalto para reação de evolução de oxigênio em solução alcalina

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Thayse Ricardo da
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31611
Resumo: Improving the efficiency of electrocatalysts used as anodes in the oxygen evolution reaction (OER) is crucial for advancing the water electrolysis process, as this step is decisive for the overall rate of electrolysis. Among the materials investigated for this purpose, spinel-type cobaltite stands out due to its multiple oxidation states. In this study, we synthesized spinel-type cobaltite electrodes (MCo2O4, where M = Cu, Mn) on nickel foam using a green synthesis method, employing linseed as a polymerizing agent. The electrodes were directly grown on the porous nickel substrate. The structural, microstructural, and chemical properties of the electrodes were investigated by XRD, SEM, TEM, FTIR, and XPS analyses. The CuCo2O4-CuO composite electrode exhibited a low overpotential of 340 mV vs RHE with a current density of 40 mA cm-2 and a Tafel slope of 71 mV dec-1, demonstrating superior electrocatalytic performance to other Cu and Co-based oxides reported in the literature. The MnCo2O4 electrode showed an overpotential of 319 mV (at a current density of 40 mA cm-2), a Tafel slope of 82 mV dec-1 and excellent electrochemical stability for 15 hours. Therefore, the MnCo2O4 electrode was further optimized with the addition of graphene oxide, achieving the lowest overpotential: 281 mV vs. RHE (40 mA cm-2). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results during OER demonstrated a decrease in the resistive component associated with surface intermediates with the addition of graphene oxide. This phenomenon suggests an enhanced Faradaic reaction, facilitated by improved electronic conduction. Furthermore, excellent chemical and mechanical stability was demonstrated within the current density range of 10 mA cm-2 to 60 mA cm-2 over 120 hours.
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The structural, microstructural, and chemical properties of the electrodes were investigated by XRD, SEM, TEM, FTIR, and XPS analyses. The CuCo2O4-CuO composite electrode exhibited a low overpotential of 340 mV vs RHE with a current density of 40 mA cm-2 and a Tafel slope of 71 mV dec-1, demonstrating superior electrocatalytic performance to other Cu and Co-based oxides reported in the literature. The MnCo2O4 electrode showed an overpotential of 319 mV (at a current density of 40 mA cm-2), a Tafel slope of 82 mV dec-1 and excellent electrochemical stability for 15 hours. Therefore, the MnCo2O4 electrode was further optimized with the addition of graphene oxide, achieving the lowest overpotential: 281 mV vs. RHE (40 mA cm-2). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results during OER demonstrated a decrease in the resistive component associated with surface intermediates with the addition of graphene oxide. This phenomenon suggests an enhanced Faradaic reaction, facilitated by improved electronic conduction. Furthermore, excellent chemical and mechanical stability was demonstrated within the current density range of 10 mA cm-2 to 60 mA cm-2 over 120 hours.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA melhoria da eficiência dos eletrocatalisadores utilizados como anodos na reação de evolução de oxigênio (OER) é crucial para avançar no processo de eletrólise da água, uma vez que esta etapa é determinante para a taxa global da eletrólise. Entre os materiais investigados para esta finalidade, as cobaltitas do tipo espinélio se destacam devido aos seus múltiplos estados de oxidação. Neste estudo, sintetizamos eletrodos de cobaltitas do tipo espinélio (MCo2O4, onde M = Cu, Mn) sobre espuma de níquel utilizando um método de síntese verde, empregando linhaça como agente polimerizante. Os eletrodos foram diretamente crescidos sobre o substrato poroso de níquel. As propriedades estruturais, microestruturais e químicas dos eletrodos foram investigadas por análises de DRX, MEV, TEM, FTIR e XPS. O eletrodo compósito CuCo2O4-CuO exibiu um baixo sobrepotencial de 340 mV vs RHE com densidade de corrente de 40 mA cm-2 e uma inclinação Tafel de 71 mV dec-1, demonstrando um desempenho eletrocatalítico superior a outros óxidos à base de Cu e Co relatados na literatura. O eletrodo MnCo2O4 mostrou um sobrepotencial de 319 mV (a uma densidade de corrente de 40 mA cm-2), uma inclinação Tafel de 82 mV dec-1 e excelente estabilidade eletroquímica por 15 horas. A partir disso, o eletrodo MnCo2O4 foi posteriormente otimizado com adição de óxido de grafeno, atingindo o menor sobrepotencial: 281 mV vs. RHE (40 mA cm-2). Resultados de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) durante a OER demonstraram uma diminuição no componente resistivo associado a intermediários de superfície com a adição de óxido de grafeno. Esse fenômeno sugere uma reação faradaica intensificada, facilitada pela melhorada condução eletrônica. Além disso, foi demonstrada excelente estabilidade química e mecânica dentro da faixa de densidade de corrente de 10 mA cm-2 a 60 mA cm-2 ao longo de 120 horas.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia de MateriaisPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de MateriaisUFPBMacedo, Daniel Araújo dehttp://lattes.cnpq.br/1027496814443777Ferreira, Luciena dos Santoshttp://lattes.cnpq.br/8724828669774587Raimundo, Rafael Alexandrehttp://lattes.cnpq.br/9772819884310876Araújo, Allan Jedson Menezes dehttp://lattes.cnpq.br/6743856956860416Silva, Thayse Ricardo da2024-08-28T13:27:51Z2024-05-072024-08-28T13:27:51Z2024-04-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31611porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2024-08-29T06:06:08Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/31611Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2024-08-29T06:06:08Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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