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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.75.2023.tde-04102023-092132
Documento
Autor
Nome completo
Rodrigo Gomes de Araujo
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2023
Orientador
Banca examinadora
Perez, Joelma (Presidente)
Roveda Junior, Antonio Carlos
Saeki, Margarida Juri
Título em português
Eletrocatalisadores de MoS2 e WS2 modificados com Rh e RhFe para eletroredução de nitrogênio
Palavras-chave em português
amônia
eletrocatálise
eletrólise
redução do nitrogênio
Resumo em português
O processo Haber-Bosch de produção de amônia utiliza predominantemente o hidrogênio produzido pela reforma a vapor de hidrocarbonetos, resultando na liberação de gases de efeito estufa na atmosfera. A eletroredução do nitrogênio a amônia em condições de temperatura e pressão ambiente tem ganhado destaque, visto que fornece uma alternativa ao processo atual de produção, diminuindo drasticamente as emissões de CO2 para a síntese de NH3. Por essa razão, a reação de redução de nitrogênio (RRN) está sendo profundamente investigada como uma via de produção de amônia em grande escala industrial de forma sustentável. Neste trabalho, eletrocatalisadores comerciais de MoS2 e WS2 foram modificados com Rh utilizando o método de impregnação. Além disso, modificou-se com os eletrocatalisadores comerciais com nanopartículas de RhFe sintetizadas pelo método poliol e investigados frente sua atividade catalítica para a RRN. Os catalisadores foram caracterizados por técnicas físicas tais como: microscopia eletrônica de transmissão, difração de Raios X, e espectroscopia de Raios X por energia dispersiva, apresentando um valor abaixo de 1% de Rh impregnado, e valores de 9% em massa de RhFe com uma proporção atômica de 60:40 (Rh:Fe). Os métodos eletroquímicos constituíram de voltametria cíclica, voltametria linear e cronoamperometria. Os produtos de reação foram detectados por espectroscopia de massas on-line e espectroscopia de UV-vis. Os resultados de quantificação indicaram que o MoS2 foi o catalisador com melhor desempenho para a redução de nitrogênio em meio ácido apresentando um valor de produção de NH3 de 4,15 µg h-1 mgcat-1 e para o catalisador de WS2, 3,19 µg h-1 mgcat-1 em -0,7 V vs. RHE. Análises espectroscopia de massas para razões massa/carga: 2 (H2), 17 (NH3) e 33 (NH2OH) para os catalisadores MoS2, WS2, Rh/MoS2 e Rh/WS2 indicaram que a RRN ocorre em paralelo com reação de desprendimento de hidrogênio (RRH) e a adição do Rh alterou o potencial de início da reação. O catalisador de RhFe não apresentou atividade para a RRN, porém mostrou-se atividade para a reação de RRH.
Título em inglês
Study of MoS2 and WS2 electrocatalysts modified with Rh and RhFe for the nitrogen reduction reaction to ammonia
Palavras-chave em inglês
ammonia
electrocatalysis
nitrogen reduction reaction
Resumo em inglês
The Haber-Bosch process of ammonia production predominantly uses hydrogen produced by the vapor and hydrocarbon reform, releasing greenhouse gases into the atmosphere. The electroreduction of nitrogen to ammonia under temperature and ambient pressure has gained prominence since it provides an alternative to the current production process, drastically reducing CO2 emissions via the synthesis of NH3. For this reason, the nitrogen reduction reaction (NRR) is being thoroughly investigated as a sustainable large-scale industrial ammonia production pathway. In this work, MoS2 and WS2 commercial electrocatalysts were modified with Rh using the impregnation method, in addition, modified with RhFe nanoparticles synthesized by the polyol method and investigated against their catalytic activity for NRR. The catalysts were characterized by physical techniques such as: transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and energy dispersive X-ray spectroscopy, presenting a value below 1% of impregnated Rh, and presenting values of 9% by mass of RhFe with an atomic ratio of 60:40 (Rh:Fe). The electrochemical techniques performed consisted of cyclic voltammetry, linear voltammetry and chronoamperometry. The reaction products were detected by online mass spectroscopy and UV-vis spectroscopy. The quantification results indicated that MoS2 was the catalyst with the highest performance for nitrogen reduction in acid medium presenting an NH3 production value of 4.15 µg h-1 mgcat-1 and for the WS2 catalyst 3.19 µg h-1 mgcat-1 at -0.7 V vs. RHE. Mass spectroscopy analyses for mass/charge ratios: 2 (H2), 17 (NH3) and 33 (NH2OH) for the catalysts MoS2, WS2, Rh/MoS2 and Rh/WS2 indicated that NRR occurs in parallel with hydrogen evolution reaction (HER) and the addition of Rh altered the onset of the reaction. The RhFe catalysts did not show activity for the NRR.
 
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Data de Liberação
2025-09-26
Data de Publicação
2023-10-04
 
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