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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: Produção de compostos carbonílicos e hidrogênio em um eletrolisador de glicerol com eletrodos de grafite
Autor(es): NICOLLY DE CARVALHO YONAMINE
Primeiro orientador: CAUE ALVES MARTINS
Resumo: O glicerol é um coproduto da produção de biodiesel que tem atraído interesse pelo seu potencial de uso, sendo amplamente disponível e de baixo valor. Uma estratégia para agregar valor a esse álcool é utilizá-lo como matriz para eletrólise. O uso de catalisadores livres de metal exige energia para completar a reação acoplada – a eletro-oxidação de glicerol (GEOR) no ânodo e a reação de evolução de H₂ (HER) no cátodo. Esta energia pode ser fornecida por fontes alternativas, como painéis solares. Neste trabalho, nós exploramos a utilização de eletrodos de grafite isentos de metais nobres para a eletrólise de glicerol, com produção concomitante de H₂. As reações anódicas e catódicas do grafite foram investigadas, mostrando que é possível acoplar GEOR ao HER com potencial de circuito aberto de 1,7 V. Em seguida, prototipamos um eletrolisador tipo H com septos para amostragem de líquidos e gases. A operação deste eletrolisador mostra que a densidade de corrente, os produtos carbonílicos e o H₂ dependem da concentração de glicerol utilizada. O eletrolisador produz formato, lactato, glicerato e glicolato no ânodo, com produção acoplada de H₂ no cátodo. As reações de eletro-oxidação de glicerol e evolução de oxigênio (OER) acontecem paralelamente, competindo pela superfície do ânodo. Mas embora a cinética da OER seja mais rápida que a do GEOR no grafite, o GEOR apresenta um potencial de início menor. Adicionalmente, a eletro-oxidação do álcool apresenta uma corrente menor em altas concentrações. Altas concentrações de glicerol (1,0-1,5 mol/L) levam a compostos menos oxidados, como o glicolato, enquanto baixas concentrações (0,05-0,5 mol/L) induzem compostos mais oxidados, como o formato. Além disso, o aumento da tensão da célula leva a uma mistura rica em formato, circulando mais elétrons no circuito externo e produzindo mais H₂. É possível ajustar a composição da mistura de produtos no ânodo e a quantidade de H₂ no cátodo, alterando a potência fornecida. Este trabalho mostra que o grafite a granel de baixo custo, simples e amplamente disponível, pode ser explorado como eletrodo base ou modelo para eletrólise de glicerol com produção paralela de H₂. Em última análise, o trabalho prova que coletores de corrente a base de grafite utilizados em eletrolisadores comerciais podem participar das reações, não sendo um material completamente inerte.
Abstract: Glycerol is a co-product of biodiesel production that has attracted interest due to its potential use, being widely available and of low value. One strategy for adding value to this alcohol is to use it as a matrix for electrolysis. The use of metal-free catalysts requires energy to complete the coupled reaction - glycerol electro-oxidation (GEOR) at the anode and the H₂ evolution reaction (HER) at the cathode. This energy can be supplied by alternative energies, such as solar panels. In this work, the use of graphite electrodes free of noble metals was explored for the electrolysis of glycerol, with concomitant production of H₂. The anodic and cathodic reactions of graphite were investigated, showing that it is possible to couple GEOR to HER at an open circuit potential of 1.7 V. We then prototyped an H-type electrolyzer with septa for sampling liquids and gases. The operation of this electrolyzer shows that the current density, carbonyl products and H₂ depend on the concentration of glycerol used. The electrolyzer produces formate, lactate, glycerate and glycolate at the anode, with coupled production of H₂ at the cathode. The glycerol electro-oxidation and oxygen evolution reactions (OER) take place in parallel, competing for the anode surface. But although the kinetics of OER is faster than that of GEOR on graphite, GEOR has a lower onset potential. In addition, the electro-oxidation of alcohol has a lower current at high concentrations. High concentrations of glycerol (1.0-1.5 mol/L) lead to less oxidized compounds, such as glycolate, while low concentrations (0.05-0.5 mol/L) induce more oxidized compounds, such as formate. In addition, increasing the cell voltage leads to a mixture rich in format, circulating more electrons in the external circuit and producing more H₂. It is possible to adjust the composition of the product mixture at the anode and the amount of H₂ at the cathode by changing the power supplied. This work shows that low-cost, simple and widely available bulk graphite can be exploited as a base or model electrode for glycerol electrolysis with parallel H₂ production. Ultimately, the work proves that graphite-based current collectors used in commercial electrolysers can take part in the reactions. This work proves that graphite is not a completely inert material.
Palavras-chave: Eletro-oxidação de glicerol
catalisadores livres de metal
grafite
compostos carbonílicos
produção de hidrogênio
País: 
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/10645
Data do documento: 2024
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