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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2021.tde-04052021-093052
Document
Author
Full name
Leandro Cesar Trevelin
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2021
Supervisor
Committee
Lanza, Marcos Roberto de Vasconcelos (President)
Santos, Mauro Coelho dos
Aquino, José Mario de
Moraes, Fernando Cruz de
Sales, Lucia Helena Mascaro
Title in Portuguese
Modificação de catalisadores de carbono amorfo com óxidos mistos de Nb, Zr, Mo e Pd para a eletrossíntese de peróxido de hidrogênio (H2O2)
Keywords in Portuguese
óxido de molibdênio
óxido de nióbio
óxido de paládio
óxido de zircônio
peróxido de hidrogênio
reação de redução de oxigênio
Abstract in Portuguese
A eletrossíntese de peróxido de hidrogênio é resultado da reação de redução de oxigênio. Essa reação pode ser expressa por dois mecanismos distintos, redução do oxigênio molecular via 2 elétrons para formação de H2O2, ou então a molécula de oxigênio presente em solução pode reduzir via 4 elétrons para a formação de H2O. No presente trabalho foi desenvolvido o processo de modificação do carbono Printex 6L com a adição de óxidos mistos de Nióbio, Tungstênio, Zircônio e Paládio, em uma primeira etapa e avaliada a eletroatividade de compósitos de carbono Printex L6 - óxido de grafeno em três eletrólitos diferentes - 0.1 mol L-1 KOH (pH= 12.8), 0.1 mol L-1 K2SO4 (pH= 5.8) e 0.1 mol L-1 K2SO4 (acidificado com H2SO4 para pH 2) em uma segunda etapa. Na primeira etapa os materiais foram sintetizados com base no método dos precursores poliméricos e a caracterização física foi realizada por difração de raios x (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A análise eletroquímica dos materiais utilizou técnicas eletroanalíticas como voltametrias cíclicas, cronoamperometria e voltametrias de varredura linear, sendo que os melhores resultados mostraram que 1% de óxido de nióbio e tungstênio, 1% de óxido de molibdênio e zircônio e 1% de óxido de zircônio e paládio alcançaram 83,5% , 77,7% e 82,3% de eficiência de corrente para a geração de H2O2, respectivamente, porém em potenciais mais positivos que o carbono sem modificação, chegando a aproximadamente 200 mV, 400 mV e 650 mV de deslocamento de potencial para mais positivo, em relação aos 84,2% obtidos para o carbono Printex 6L. Na segunda etapa os compósitos de carbono Printex L6 - óxido de grafeno foram preparados misturando carbono Printex L6 com óxido de grafeno eletroquimicamente esfoliado em uma relação de massa variando entre 0 e 100%. Foram estudadas caracterizações morfológicas, estruturais e eletroquímicas dos compósitos comparando a área de superfície eletroativa por voltametria cíclica, área de superfície e tamanho dos poros estimados pela BET e resistência dos materiais que demonstraram estar correlacionados a uma melhor dispersão do PLCB dentro das folhas de EGO, consequentemente a exposição de locais ativos para a RRO no plano basal das folhas do EGO. O catalisador, composto por 75% de PLCB e 25% de EGO apresentou o melhor desempenho eletroquímico para ORR, com uma mudança da potencial de meia onda de cerca de aprox. 160 mV em 0,1 mol L-1 KOH (pH= 12,8), aprox. 120 mV em 0,1 mol K2SO4 (pH= 5,8) e aprox. 100 mV em 0,1 mol L-1 K2SO4 (pH= 2) em comparação com Printex L6.
Title in English
"Modification of amorphic carbon catalysts with mixed oxides of Nb, Zr, Mo and Pd for hydrogen peroxide (H2O2) electrosynthesis".
Keywords in English
hydrogen peroxide
molybdenum oxide
niobium oxide and oxygen reduction reaction.
palladium oxide
zirconium oxide
Abstract in English
Electrosynthesis of hydrogen peroxide is the result of oxygen reduction reaction. This reaction can be expressed by two distinct mechanisms, reduction of molecular oxygen via 2- electrons pathway for formation of H2O2, or the oxygen molecule present in solution can reduce via 4-electrons pathway for the formation of H2O. In the present study, the Printex 6L carbon modification process was developed with the addition of mixed oxides of Niobium, Tungsten, Zirconium and Palladium, in a first stage and evaluated the electroactivity of Printex L6 carbon - graphene oxide composites in three different electrolytes - 0.1 mol L-1 KOH (pH= 12.8), 0.1 mol L-1 K2SO4 (pH= 5.8) and 0.1 mol L-1 K2SO4 (acidified with H2SO4 for pH 2) in a second one. In the first stage, the materials were synthesized based on the polymeric precursor method and the physical characterization was performed by x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). The electrochemical analysis of the materials used electroanalytical techniques such as cyclic voltammetry, chronoamperometry and linear sweeping voltammetry, and the best results showed that 1% niobium oxide and tungsten, 1% molybdenum oxide and zirconium and 1% zirconium oxide and palladium reached 83.5%, 77.7% and 82.3% of current efficiency for the generation of H2O2, respectively, but in more positive potentials than carbon without modification, reaching approximately 200 mV, 400 mV and 650 mV of displacement of potential for more positive, in relation to the 84.2% obtained for printex 6L carbon. In the second stage the Printex L6 carbon - graphene oxide composites catalysts were prepared by mixing Printex L6 carbon black with electrochemically exfoliated graphene oxide in a mass ratio varying between 0 and 100 wt%. Morphological, structural and electrochemical characterization of the composites were studied comparing the electroactive surface area by cyclic voltammetry, surface area and pore size estimated by BET and resistivity of the materials showing was correlated to a better dispersion of PLCB within the EGO sheets, consequently exposition of active sites for ORR in the basal plane of the EGO sheets. The catalyst, composed of 75 wt% PLCB and 25 wt% of EGO showed the best electrochemical performance for ORR, with a shift of the half-wave of potential of ca. 160 mV in 0.1 mol L-1 KOH (pH= 12.8), ca. 120 mV in 0.1 mol K2SO4 (pH= 5.8) and ca. 100 mV in 0.1 mol L-1 K2SO4 (pH= 2) compared with pure Printex L6.
 
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Publishing Date
2021-05-05
 
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