Compósitos de cobaltitas/carvão ativo aplicados como eletrocatalisadores na reação de evolução de oxigênio

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lima, Andrei Fellipe Veríssimo de
Data de Publicação: 2021
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/123456789/21779
Resumo: Hydrogen gas (H2) has stood out as a clean and renewable source, and an alternative to replace fossil fuels. The water electrolytic splitting is the most advantageous process for obtaining H2, considering environmental issues. The main reactions of water electrolysis are the Oxygen Evolution Reaction (OER) and the Hydrogen Evolution Reaction (HER). However, there is a high consumption of electrical energy caused mainly by OER, and catalysts are an alternative to make this process energetically feasible. Therefore, in this work three composites based on cobaltite and activated carbon (Co3O4/C) were synthesized and applied as electrocatalysts in OER. These composites were obtained via thermal treatment at 350 °C of composites containing ZIF-67 (Zeolitic Imidazolate Frameworks 67) and different percentages of activated carbon (10, 30 and 50% m/m). The three precursor composites (ZIF-67/C) were characterized by X-ray powder diffraction (XRD) and infrared absorption spectroscopy (IR), which showed the characteristic signs of the components, confirming the crystallization of ZIF-67 even at presence of activated coal. The thermal decomposition of the precursors was also evaluated via thermogravimetric analysis (TGA). Co3O4/C electrocatalysts were also characterized by XRD and IR. Powder patterns indicate the formation of cobaltites with cubic crystalline phase, in addition to the presence of amorphous carbon signals, confirming the formation of the composite. These data were also corroborated by infrared spectra, which showed the main vibrations of the organic groups present in the active carbon, as well as the stretches of the Co-O bond. The electrocatalytic performance in the OER was evaluated using cyclic voltammetry and linear scanning voltammetry, in an alkaline medium. Although all composites have been classified as “excellent” according to the literature, Co3O4/C10 performed better, with 321 mV overpotential and a Tafel slope of 71.97 mVdec-1 to obtain a current density of 10 mA cm-2. An inverse relationship was observed between electrocatalytic performance and the amount of coal in the sample. All Co3O4/C composites obtained present an equal or superior performance when compared with similar materials with the literature.
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These composites were obtained via thermal treatment at 350 °C of composites containing ZIF-67 (Zeolitic Imidazolate Frameworks 67) and different percentages of activated carbon (10, 30 and 50% m/m). The three precursor composites (ZIF-67/C) were characterized by X-ray powder diffraction (XRD) and infrared absorption spectroscopy (IR), which showed the characteristic signs of the components, confirming the crystallization of ZIF-67 even at presence of activated coal. The thermal decomposition of the precursors was also evaluated via thermogravimetric analysis (TGA). Co3O4/C electrocatalysts were also characterized by XRD and IR. Powder patterns indicate the formation of cobaltites with cubic crystalline phase, in addition to the presence of amorphous carbon signals, confirming the formation of the composite. These data were also corroborated by infrared spectra, which showed the main vibrations of the organic groups present in the active carbon, as well as the stretches of the Co-O bond. The electrocatalytic performance in the OER was evaluated using cyclic voltammetry and linear scanning voltammetry, in an alkaline medium. Although all composites have been classified as “excellent” according to the literature, Co3O4/C10 performed better, with 321 mV overpotential and a Tafel slope of 71.97 mVdec-1 to obtain a current density of 10 mA cm-2. An inverse relationship was observed between electrocatalytic performance and the amount of coal in the sample. All Co3O4/C composites obtained present an equal or superior performance when compared with similar materials with the literature.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESO gás hidrogênio (H2) tem se destacado como uma fonte limpa e renovável, como alternativa para substituir os combustíveis fósseis. A quebra eletrolítica da água é o processo mais vantajoso para a obtenção do H2, pensando pelo viés das questões ambientais. As reações centrais da eletrólise da água são a Reação de Evolução do Oxigênio (OER) e a Reação de Evolução do Hidrogênio (HER). Entretanto, a eletrólise da água exige um alto consumo de energia elétrica, demandado principalmente pela OER. Os catalisadores são uma alternativa para viabilizar energeticamente esse processo. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo principal a síntese e caracterização eletroquímica de compósitos a base de cobaltita e carvão ativado (Co3O4/C) para aplicação como eletrocatalisadores para OER. Estes compósitos foram obtidos via tratamento térmico a 350°C de compósitos contendo ZIF-67 (Zeolitic Imidazolate Frameworks 67) e diferentes percentagens de carvão ativo (10, 30 e 50% em massa). Os três compósitos precursores (ZIF-67/C) foram caracterizados via difração de raios X de pó (DRX) e espectroscopia de absorção no infravermelho (IV), que mostraram os sinais característicos dos componentes, confirmando a cristalização da ZIF-67 mesmo na presença do carvão ativo. A decomposição térmica dos precursores também foi avaliada via análise termogravimétrica (TGA). Os eletrocatalisadores Co3O4/C também foram caracterizados por DRX e IV. Os padrões de difração indicam a formação das cobaltitas com fase cristalina cúbica, além da presença dos sinais do carvão amorfo, confirmando a formação do compósito. Estes dados também foram corroborados pelos espectros de infravermelho, que mostraram as principais vibrações dos grupos orgânicos presentes no carvão ativo, bem como os estiramentos da ligação Co-O. O desempenho eletrocatalítico na OER foi avaliado via voltametria cíclica e de varredura linear, em meio alcalino. Embora todos os compósitos tenham sido classificados como “excelentes” segundo a literatura, o Co3O4/C10 teve desempenho superior, com sobrepotencial de 321 mV e uma inclinação de Tafel igual a 71,97 mV dec-1 para produzir uma densidade de corrente de 10 mA cm-2. Observou-se uma relação inversa entre o desempenho eletrocatalítico e a quantidade de carvão na amostra. Todos os compósitos Co3O4/C obtidos apresentam desempenho igual ou superior quando comparado com materiais similares da literatura.Universidade Federal da ParaíbaBrasilQuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUFPBSilva, Fausthon Fred dahttp://lattes.cnpq.br/1169473420708631Macedo, Daniel Araújo dehttp://lattes.cnpq.br/1027496814443777Lima, Andrei Fellipe Veríssimo de2021-12-30T17:01:41Z2021-09-202021-12-30T17:01:41Z2021-02-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/21779porAttribution-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:UFPB2022-08-09T16:12:39Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/21779Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2022-08-09T16:12:39Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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