Zeolitic imidazolate frameworks 67 (ZIF-67) como molde para o desenvolvimento de novos eletrocatalisadores na reação de evolução de oxigênio

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lourenço, Annaíres de Almeida
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/20393
Resumo: Hydrogen gas (H2) has recently stood out among clean and renewable energy sources. This gas can be obtained from the electrolysis of water which consists of two semi-reactions, Hydrogen Evolution Reaction (HER) and Oxygen Evolution Reaction (OER). However, this process, especially OER, needs a high potential to occur, being necessary to use catalysts for this reaction to be viable, and cobalt-based oxides are among the most promising electrocatalysts. In this context, this work reports the synthesis of bimetallic cobaltites with Mn, Ni and Zn using Zeolitic Imidazolate-67 structures (ZIF-67) as model. The impregnation of metals in the ZIF-67 structure was evaluated in ethanol and methanol media, in order to obtain the best synthetic route. The powder X-ray diffraction patterns did not show changes in crystalline phase after the impregnation of the metals in the ZIF-67. By thermogravimetric analysis, the presence of the impregnated metals on the ZIF-67 was confirmed, with greater quantity when the synthesis was done in ethanol. Undoped (ZIF-67(C)) and doped (Co/M/C(S), with M = Mn, Ni and Zn and S = E and M) cobaltites were obtained after chemical treatment at 350°C. The XRD patterns with Rietveld refinement revealed the formation of composites of spinel structures NiO/NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 and Co3O4/Mn0,8Co2,2O4 for species synthesized in ethanol and NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 e Mn0,4Co2,6O4 for those from the methanol route, with the atoms of Ni, Zn and Mn located, preferably, in octahedral sites, according to the Raman spectra. The dispersive energy spectroscopy (EDS) analyses show the homogeneous distribution of atoms in compounds originated from methanol synthesis. The electrocatalytic activity in OER was investigated in an alkaline medium and bimetallic cobaltites showed better performance compared to ZIF-67(C). Co/NiC(E) has 333 mV overpotential to produce a current density of 10 mA cm-2, the best result, whileCo/Ni/C(M) is more efficient at 100 mA cm-2 (η = 436 mV).
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The powder X-ray diffraction patterns did not show changes in crystalline phase after the impregnation of the metals in the ZIF-67. By thermogravimetric analysis, the presence of the impregnated metals on the ZIF-67 was confirmed, with greater quantity when the synthesis was done in ethanol. Undoped (ZIF-67(C)) and doped (Co/M/C(S), with M = Mn, Ni and Zn and S = E and M) cobaltites were obtained after chemical treatment at 350°C. The XRD patterns with Rietveld refinement revealed the formation of composites of spinel structures NiO/NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 and Co3O4/Mn0,8Co2,2O4 for species synthesized in ethanol and NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 e Mn0,4Co2,6O4 for those from the methanol route, with the atoms of Ni, Zn and Mn located, preferably, in octahedral sites, according to the Raman spectra. The dispersive energy spectroscopy (EDS) analyses show the homogeneous distribution of atoms in compounds originated from methanol synthesis. The electrocatalytic activity in OER was investigated in an alkaline medium and bimetallic cobaltites showed better performance compared to ZIF-67(C). Co/NiC(E) has 333 mV overpotential to produce a current density of 10 mA cm-2, the best result, whileCo/Ni/C(M) is more efficient at 100 mA cm-2 (η = 436 mV).Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESO gás hidrogênio (H2) têm se destacado recentemente entre as fontes de energia limpa e renováveis. Este gás pode ser obtido a partir da eletrólise da água que consiste em duas semirreações, Reação de Evolução do Hidrogênio (HER) e Reação de Evolução de Oxigênio (OER). Entretanto, este processo, especialmente a OER, precisa de um elevado potencial para ocorrer, sendo necessário utilizar catalisadores para que esta reação seja viável, e os óxidos a base de cobalto estão entre os eletrocatalisadores mais promissores. Neste contexto, este trabalho relata a síntese de cobaltitas bimetálicas com Mn, Ni e Zn usando estruturas de Zeolitic Imidazolate- 67 (ZIF-67) como molde. A impregnação dos metais na estrutura da ZIF-67 foi avaliada em etanol e metanol, afim de obter a melhor rota sintética. Os padrões de difração de raios-X de pó não mostraram mudanças de fase cristalina após a impregnação dos metais na ZIF-67, e as análises termogravimétricas indicam a presença dos metais impregnados na ZIF-67, com maior quantidade quando o processo ocorre em solução etanólica. As cobaltitas não dopada (ZIF-67(C)) e dopadas (Co/M/C(S), com M = Mn, Ni e Zn e S = E e M) foram obtidas após tratamento térmico à 350 °C. Os difratogramas, revelaram a formação de compósitos de estruturas espinélio de composição NiO/NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 e Co3O4/Mn0,8Co2,2O4 para as espécies originadas em etanol e NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 e Mn0,4Co2,6O4 para as provenientes da rota em metanol, com os átomos de Ni, Zn e Mn localizados, preferencialmente, em sítios octaédricos, em concordância com os espectros Raman e infravermelho. As análises de Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) evidenciam a distribuição homogênea dos átomos nos compostos originados da síntese em metanol. A atividade eletrocatalítica em OER foi investigado em meio alcalino e as cobaltitas bimetálicas apresentaram melhor desempenho em comparação com a ZIF-67(C). O Co/Ni/C(E) apresenta um sobrepotencial de 333 mV para produzir uma densidade de corrente de 10 mA cm-2, sendo este o melhor resultado, enquanto que o Co/Ni/C(M), é o mais eficiente a 100 mA cm-2 (η = 436 mV).Universidade Federal da ParaíbaBrasilQuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUFPBSilva, Fausthon Fred dahttp://lattes.cnpq.br/1169473420708631Lourenço, Annaíres de Almeida2021-07-12T20:59:40Z2021-07-082021-07-12T20:59:40Z2020-12-15info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/20393porhttp://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:UFPB2022-08-10T11:19:49Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/20393Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2022-08-10T11:19:49Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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description Hydrogen gas (H2) has recently stood out among clean and renewable energy sources. This gas can be obtained from the electrolysis of water which consists of two semi-reactions, Hydrogen Evolution Reaction (HER) and Oxygen Evolution Reaction (OER). However, this process, especially OER, needs a high potential to occur, being necessary to use catalysts for this reaction to be viable, and cobalt-based oxides are among the most promising electrocatalysts. In this context, this work reports the synthesis of bimetallic cobaltites with Mn, Ni and Zn using Zeolitic Imidazolate-67 structures (ZIF-67) as model. The impregnation of metals in the ZIF-67 structure was evaluated in ethanol and methanol media, in order to obtain the best synthetic route. The powder X-ray diffraction patterns did not show changes in crystalline phase after the impregnation of the metals in the ZIF-67. By thermogravimetric analysis, the presence of the impregnated metals on the ZIF-67 was confirmed, with greater quantity when the synthesis was done in ethanol. Undoped (ZIF-67(C)) and doped (Co/M/C(S), with M = Mn, Ni and Zn and S = E and M) cobaltites were obtained after chemical treatment at 350°C. The XRD patterns with Rietveld refinement revealed the formation of composites of spinel structures NiO/NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 and Co3O4/Mn0,8Co2,2O4 for species synthesized in ethanol and NiCo2O4, ZnO/ZnCo2O4 e Mn0,4Co2,6O4 for those from the methanol route, with the atoms of Ni, Zn and Mn located, preferably, in octahedral sites, according to the Raman spectra. The dispersive energy spectroscopy (EDS) analyses show the homogeneous distribution of atoms in compounds originated from methanol synthesis. The electrocatalytic activity in OER was investigated in an alkaline medium and bimetallic cobaltites showed better performance compared to ZIF-67(C). Co/NiC(E) has 333 mV overpotential to produce a current density of 10 mA cm-2, the best result, whileCo/Ni/C(M) is more efficient at 100 mA cm-2 (η = 436 mV).
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