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https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11581
Tipo: | Tese |
Título: | Eletroconversão eficaz de nitrato em amônia usando um catalisador emaranhado de Co3O4 com nanofitas de grafeno |
Autor(es): | Marciélli Karoline Rodrigues de Souza |
Primeiro orientador: | Gilberto Maia |
Resumo: | Tem havido um enorme interesse entre os cientistas na redução eletroquímica de nitrato (NO3⁻) em amônio (NH4⁺) devido a aplicação útil do NH₄⁺ em fertilizantes e combustíveis nitrogenados. Para conduzir uma reação de redução tão complexa, que envolve 8 elétrons e 8 prótons, é preciso desenvolver eletrocatalisadores de alto desempenho e estáveis, que favoreçam a formação de intermediários de reação que sejam seletivos para produção de amônia. No presente estudo empregou-se um método hidrotérmico simples, que envolveu a mistura de CoCl2·6H2O, ureia e nanofitas de grafeno (GNR), para síntese dos seguintes eletrocatalisadores: Co3O4(Cont.75%), Co3O4(Cont.38%)GNR, Co3O4(Cont.55%)GNR, Co3O4(Cont.53%)GNR e GNR(Cont.0%). O catalisador Co3O4(Cont.55%)GNR demonstrou a melhor resposta, sendo capaz de converter NO₃⁻ em NH₄⁺ com uma taxa de rendimento de 42,11 mg h⁻¹ mgcat⁻1, uma eficiência faradaica (EF) de 98,7%, uma eficiência de conversão de NO3⁻ de 14,71% e uma seletividade de NH₄⁺ de 100%, utilizando apenas 37,5 µg cm⁻2 de catalisador. (20,6 µg cm⁻2 de Co foi aplicado), confirmado por carregamentos variando de 19 – 150 µg cm⁻2. Os resultados altamente satisfatórios obtidos para o catalisador proposto foram favorecidas por altos valores de área eletroquimicamente ativa (ECSA, sigla do inglês) e baixos valores de Rtc, juntamente com a presença de vários planos no Co3O4 e a ocorrência de uma espécie de “complexo (Co3(Co(CN)6)2(H2O)12)1,333” (emaranhamento envolvendo os elementos Co, C, O e N) na superfície do catalisador, além da migração efetiva de NO₃⁻ do ramo catódico para anódico, no qual foi confirmado no experimento conduzido usando uma célula H separada por membrana de Nafion 117. Os resultados in situ de FTIR e espectroscopia Raman ajudaram a identificar os intermediários adsorvidos, como, NO3⁻, NO2⁻, NO e NH2OH, e o produto NH4+, os quais são compatíveis com o mecanismo de eletrorredução. Os cálculos da Teoria do Funcional da Densidade (DFT, sigla do inglês) ajudaram a confirmar que o catalisador Co3O4(Cont.55%)GNR exibiu a melhor performance em termos de eletrorredução de NO3⁻ em comparação ao Co3O4(Cont.75%), considerando os intermediários identificados pelos resultados in situ de FTIR e espectroscopia Raman e a etapa determinante da taxa (RDS) observada para a transição do *NO para *NHO (0,43 eV). |
Abstract: | There has been significant interest among scientists in the electrochemical reduction of nitrate (NO3⁻) to ammonium (NH4⁺) due to the useful application of NH4⁺ in fertilizers and nitrogen-based fuels. To carry out such a complex reduction reaction, which involves 8 electrons and 8 protons, it is necessary to develop high-performance and stable electrocatalysts that favor the formation of reaction intermediates selective for ammonia production. In the present study, a simple hydrothermal method was employed, involving the mixture of CoCl₂·6H₂O, urea, and graphene nanoribbons (GNR), to synthesize the following electrocatalysts: Co3O4(Cowt.%75), Co3O4(Cowt.%38)GNR, Co3O4(Cowt.%55)GNR, Co3O4(Cowt.%53)GNR, and GNR(Cowt. %0). The Co3O4(Cowt.%55)GNR catalyst exhibited the best performance, capable of converting NO3⁻ to NH4⁺ with a yield rate of 42.11 mg h⁻¹ mg⁻¹ catalyst, a Faradaic efficiency (FE) of 98.7%, a nitrate conversion efficiency of 14.71%, and an NH₄⁺ selectivity of 100%, using only 37.5 µg cm⁻2 of catalyst (20.6 µg cm⁻2 of Co applied), confirmed by loadings ranging from 19 to 150 µg cm⁻². The highly satisfactory results obtained for the proposed catalyst were favored by high values of electrochemically active surface area (ECSA) and low values of Rct, along with the presence of multiple planes in Co3O4 and the occurrence of a "complex (Co3(Co(CN)6)2(H2O)12)1.333" (entanglement involving the elements Co, C, O, and N) on the catalyst surface, as well as the effective migration of NO₃⁻ from the cathodic branch to the anodic one, which was confirmed in the experiment conducted using a H-cell separated by a Nafion 117 membrane. In-situ FTIR and Raman spectroscopy results helped identify the adsorbed intermediates, such as NO3⁻, NO2⁻, NO, and NH2OH, and the NH4⁺ product, which are consistent with the electroreduction mechanism. Density Functional Theory (DFT) calculations helped confirm that the Co3O4(Cowt.55%)GNR catalyst exhibited the best performance in terms of NO3⁻ electroreduction compared to Co3O4(Cowt.75%), considering the intermediates identified by in-situ FTIR and Raman spectroscopy results and the rate-determining step (RDS) observed for the transition from *NO to *NHO (0.43 eV). |
Palavras-chave: | Amônia eletrorredução de nitrato nanofitas de grafeno Co3O4 emaranhamento. |
País: | Brasil |
Editor: | Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul |
Sigla da Instituição: | UFMS |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11581 |
Data do documento: | 2025 |
Aparece nas coleções: | Programa de Pós-graduação em Química |
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