Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.59.2021.tde-08022022-091409
Documento
Autor
Nome completo
Jesimiel Glaycon Rodrigues Antônio
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Ribeirão Preto, 2021
Orientador
Banca examinadora
Andrade, Adalgisa Rodrigues de (Presidente)
Forti, Juliane Cristina
Yamanaka, Hideko
Título em português
Preparação e caracterização de sistemas híbridos para biocélulas enzimáticas operando com etilenoglicol/O2
Palavras-chave em português
Biocélula a combustível enzimática
Biocélula híbrida
Etilenoglicol
MWCNTs
Nanocatalisadores
Oxalato oxidase
TEMPO-NH2
Resumo em português
Este trabalho descreve a investigação de sistemas híbridos para o desenvolvimento de uma biocélula a combustível etilenoglicol/O2 visando a oxidação completa do combustível. Os catalisadores de nanopartículas de Pt65Sn35 depositadas sobre nanotubos de carbono de parede múltiplas (MWCNTs-Pt65Sn35) e 4-amino-TEMPO (TEMPO-NH2) demostraram atividade eletrocatalítica para a oxidação do etilenoglicol (EG) com um pico de oxidação bem definido. A enzima oxalato oxidase (OxOx) obtida pela Ceriporiopsis subvermispora foi empregada como catalisador na quebra da ligação C-C do substrato. As voltametrias cíclicas do sistema híbrido MWCNTsPt65Sn35+OxOx, na presença de EG apresentaram uma corrente 1,6 maior em relação a densidade de corrente observada para o MWCNTs-Pt65Sn35; já TEMPO-NH2+OxOx foi em média 1,23 maior quando comparada com o TEMPO-NH2. Análises voltamétricas, cronoamperométricas e de eletrólises demonstraram que a OxOx não oxida diretamente o EG. Foram realizados estudos cronoamperométricos do EG e dos subprodutos de oxidação (glicoaldeído (GAld), ácido fórmico (AF), ácido glicólico (AG), ácido glioxílico (AGO) e ácido oxálico (AO)) no sistema MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx e MWCNTs-Pt65Sn35 em um potencial fixo de 0,9 V vs Ag/ AgCl. O sistema híbrido apresentou corrente superior para todos os substratos analisados. O sistema TEMPO NH2+OxOx e TEMPO-NH2 após injeções sucessivas de EG em um potencial fixo de 0,75 V vs Ag/AgCl, mostraram um aumento médio de 14% na presença da enzima OxOx. A eletrólise de longo prazo em um potencial de 0,5 V vs Ag/AgCl para o MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx gerou uma densidade de corrente 65% maior em comparação com o sistema contendo apenas MWCNTs-Pt65Sn35; e as eletrolises em 0,75 V vs Ag/AgCl do TEMPO-NH2+OxOx gerou uma densidade de corrente 58% maior em comparação com o sistema contendo apenas TEMPO-NH2. Os resultados obtidos pela técnica de CLAE (cromatografia líquida de alta eficiência) para o MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx e TEMPO-NH2+OxOx mostraram a formação de CO2, confirmando a coleta de todos os 10 elétrons do EG. Eletrólises com os subprodutos de oxidação do EG e ensaios com a OxOx, possibilitaram ser proposto um provável mecanismo de oxidação para ambos os sistemas híbridos. MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx atingiu 930 ± 85 µA cm-2, 332 ± 28 µW cm-2 e VCA (tensão de circuito aberto) de 0,643 ± 0,020 V, todos superiores ao sistema simples em 38,3% para a densidade de e potência, 28% para a densidade de corrente, e 18% para o VCA.
Título em inglês
Preparation and characterization of hybrid systems for enzymatic biocells operating with ethylene glycol/O2
Palavras-chave em inglês
Enzymatic biofuel cell
Ethylene glycol
Hybrid biofuel cell
MWCNTs
Nanocatalysts
Oxalate oxidase
TEMPO-NH2
Resumo em inglês
This work describes the investigation of hybrid systems for the development of an ethylene glycol/O2 biofuel cell aiming at the complete oxidation of the fuel. The catalysts of Pt65Sn35 nanoparticles deposited on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs-Pt65Sn35) and 4-amino-TEMPO (TEMPO-NH2) catalysts showed electrocatalytic activity for the oxidation of ethylene glycol (EG) with a well-defined oxidation peak. The oxalate oxidase (OxOx) enzyme obtained by Ceriporiopsis subvermispora was employed to break the C-C bond of the substrate. Cyclic voltammetric curves of the hybrid system in the presence of ethylene glycol of the MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx system showed a current 1.6 higher than the current density observed in the absence of the enzyme MWCNTs-Pt65Sn35, whereas the current of TEMPO-NH2+OxOx was on average 1.23 higher when compared to TEMPO-NH2. Cyclic voltammetric, chronoamperometric, and electrolysis reveals that OxOx does not oxidize directly the EG. Chronoamperometric assays of EG and its oxidation byproducts (GAld, FA, AG, AGO, and AO) for MWCNTs-Pt665Sn35+OxOx and MWCNTs-Pt65Sn35 at a fixed potential of 0.9 V vs Ag / AgCl, showed that the hybrid system presented a higher current for all analyzed substrates. And the chronoamperometric curves for TEMPO-NH2+OxOx and TEMPO-NH2, after successive injections of EG at a fixed potential of 0.75 V vs Ag / AgCl, showed that in the system in the presence of OxOx there is an average increase of 14% in current density relative to the system in its absence. Long-term electrolysis at a potential of 0.5 V vs Ag/AgCl for MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx generated a 65% higher current density compared to the system containing only MWCNTs-Pt65Sn35; the 0.75 V vs Ag/AgCl electrolysis of TEMPO-NH2+OxOx generated a 58% higher current density compared to the system containing only TEMPO-NH2. The results obtained by the HPLC (High performance liquid chromatograph) technique for MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx and TEMPO-NH2+OxOx showed the formation of CO2, confirming the collection of all 10 EG electrons. Electrolysis with EG oxidation by-products and assays with OxOx, made it possible to propose a probable oxidation mechanism for both hybrid systems. MWCNTs-Pt65Sn35+OxOx reached 930 ± 85 µA cm-2, 332 ± 28 µW cm-2 and OCV (open circuit voltage) of 0.643 ± 0.020 V, 38.3% superior to the simple system for power density, 28% for current density, and 18% for the OCV.
AVISO - A consulta a este documento fica condicionada na aceitação das seguintes condições de uso:
Este trabalho é somente para uso privado de atividades de pesquisa e ensino. Não é autorizada sua reprodução para quaisquer fins lucrativos. Esta reserva de direitos abrange a todos os dados do documento bem como seu conteúdo. Na utilização ou citação de partes do documento é obrigatório mencionar nome da pessoa autora do trabalho.
Data de Publicação
2022-02-10