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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.75.2018.tde-25072018-081311
Documento
Autor
Nome completo
Ulisses Alves do Rêgo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Ticianelli, Edson Antonio (Presidente)
Huguenin, Fritz Cavalcante
Angelo, Antonio Carlos Dias
Lima, Fabio Henrique Barros de
Lopes, Thiago
Tanaka, Auro Atsushi
Título em português
Catalisadores à  base de metais não nobres formados por carbeto de tungstênio/carbono com estruturas FeNx e N/C para reação de redução do oxigênio
Palavras-chave em português
carbetos de tungstênio
catalisadores de metais não-nobres
eletrocatalisadores híbridos
reação de redução de oxigênio
Resumo em português
Este trabalho teve como objetivo investigar eletrocatalisadores de baixo custo à base de carbeto de tungstênio, carbono e ferro submetidos a diferentes processos de nitretação quanto à atividade catalítica para reação de redução do oxigênio (RRO) nos eletrólitos ácido e alcalino. Os catalisadores foram divididos em três séries distintas, a primeira compreendendo aqueles onde houve variação da carga de carbeto de tungstênio em relação ao suporte de carbono, que foram impregnados com o complexo Fe2+(2,4,6-Tris(2-piridil)-1,3,5-Triazina)2, [Fe(TPTZ)2]2+ e tratados em duas temperaturas diferentes, 700 e 800 oC em atmosfera de nitrogênio. Na segunda série foi mantida constante a carga de carbeto de tungstênio (30% de W/C, m/m) sendo que esta mescla foi preparada usando carbonos dopados previamente com três fontes distintas de nitrogênio (HNO3, NH3 e HNO3/NH3); isto foi seguido pela incorporação do complexo Fe[TPTZ]2+ e pelos mesmos tratamentos térmicos acima mencionados. Na terceira série, os eletrocatalisadores foram preparados com três tipos de carbonos (Vulcan, Ketjenblack e Monarch), aos quais foi incorporado o complexo Fe[TPTZ]2+, seguido pelo tratamento térmico a 800 °C em atmosfera de nitrogênio e então por dopagem com amônia a 950 °C. As três séries de eletrocatalisadores sintetizados neste trabalho foram cuidadosamente caracterizadas por espectroscopia infra-vermelho e UV-Visível, difratometria de raio-x, microscopia eletrônica de transmissão, energia dispersiva de raios-x, espectroscipia Raman, espectroscopia fotoeletrônica de raios-x. As investigações eletroquímicas foram realizadas por voltametria cíclica (VC) e pelo levantamento de curvas de polarização de estado estacionário para a RRO, usando a técnica de eletrodo de disco/anel rotatório, com materiais catalíticos formando filmes finos depositados no eletrodo de disco. Nas três séries de catalisadores foram desenvolvidos materiais com bom desempenho para a RRO. Nos estudos da primeira série de catalisadores, notou-se que o material mais ativo foi aquele formado por WC-FeNx/C com 30 % de W/C e 5% de Fe pirolisado a 800 °C. Na segunda série foi observado que os desempenhos dos catalisadores variaram de acordo com o tipo de protocolo de nitretação, presença de ferro e temperatura de tratamento térmico. Em eletrólito alcalino, os eletrocatalisadores apresentaram maiores desempenhos, que resultaram bastante próximos em relação ao do catalisador de Pt dispersa em carbono usado como referência. Na terceira série de eletrocatalisadores investigados, verificou-se que o melhor desempenho obtido foi com o catalisador com carbono Monarch com amônia, cuja atividade catalítica resultou superior à dos demais, devido ao maior número de estruturas ativas FeNx e N/C formadas pelo tratamento com amônia. Os resultados nos meios ácido e alcalino para a primeira e segunda séries de eletrocatalisadores sugerem a ocorrência de um mecanismo indireto (2e- + 2e-), ou seja, em meio ácido (alcalino) primeiro o O2 reduz para H2O2 (HO2 ) e depois de H2O2 (HO2 ) para H2O. Os sítios predominantemente envolvidos na catálise da reação são WC e FeNx em meio ácido e WC e N/C em meio alcalino. Finalmente, para a terceira série de eletrocatalisadores o mecanismo reacional em meio ácido envolve um mecanismo direto de 4e-, com participação importante dos sítios ativos de Fe-N2.
Título em inglês
Catalysts based on non-noble metals formed by tungsten carbide/carbon with FeNx and N/C structures for oxygen reduction reaction
Palavras-chave em inglês
hybrid electrocatalysts
non-noble metal catalysts
oxygen reduction reaction
tungsten carbides
Resumo em inglês
This work aims to investigate low cost electrocatalysts based on tungsten carbide, carbon and iron submitted to different nitriding processes for the catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR) in acid and alkaline electrolytes. The catalysts were divided into three distinct series, the first one comprising those with different tungsten carbide loads with respect to the carbon support, which were impregnated with the Fe2+ (2,4,6-Tris (2-pyridyl) - 1,3,5-triazine)2, [Fe (TPTZ)]2+, complex and treated at two different temperatures, 700 and 800 oC in nitrogen atmosphere. In the second series, the tungsten carbide load (30% W/C, m/m) was kept constant but this mixture was prepared using previously doped carbons using three different sources of nitrogen (HNO3, NH3 and HNO3/NH3); this was followed by the incorporation of the Fe[TPTZ]2+ complex and by the same heat treatments as mentioned above. In the third series, the electrocatalysts were prepared with three carbon types (Vulcan, Ketjenblack and Monarch), to which the Fe[TPTZ]2+ complex was added, followed by heat treatment at 800 °C under nitrogen and then by nitriding using a flow of ammonia at 950 °C. The three series of electrocatalysts synthesized in this work were carefully characterized by infra-red and UV-Visible spectroscopy, x-ray diffraction, transmission electron microscopy, x-ray energy dispersive, Raman spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy. The electrochemical investigations were performed by cyclic voltammetry (CV) and by measurements of steady-state polarization curves for ORR using rotating ring-disc electrode technique, with catalytic materials forming thin films deposited on the disc. In the three catalyst series, materials with good performance for the ORR were developed. In the studies of the first series of catalysts, it was seen that the most active material was that formed by WC-FeNx/C with 30%W/C and 5% Fe pyrolyzed at 800 ° C. In the second series it was observed that the performances of the catalysts varied according to the type of nitriding protocol, presence of iron and temperature of heat treatment. The electrocatalysts showed higher performances in alkaline electrolyte, which were very close to that of a reference Pt/C catalyst. In the third series of electrocatalysts, the best performance was obtained with the Monarch carbon catalyst heat-treated with ammonia, whose catalytic activity was higher than all others, due to the greater number of FeNx and N/C active structures formed by the treatment with ammonia. The results in acidic and alkaline conditions for the first and second series of electrocatalysts suggest the occurrence of an indirect ORR mechanism (2e- + 2e-), that is, in acid (alkaline) media first O2 is reduced to H2O2 (HO2) followed by the reduction of H2O2 (HO2). The active sites predominantly involved in the reaction electrocatalysis are WC and FeNx in acid media and WC e N/C in alcaline media. Finally, for the third series of electrocatalysts, the acidic reaction involves a direct 4e- mechanism, having important participation of the Fe-N2 active sites.
 
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Data de Publicação
2018-07-25
 
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