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https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/5095
Tipo: | Tese |
Título: | ACOPLAMENTO DE ÓXIDOS DE Ni E Zn ORIGINADOS DE ZIF8 COMO PROMISSOR ELETROCATALISADOR PARA A REAÇÃO DE DESPRENDIMENTO DE OXIGÊNIO |
Autor(es): | Clauber Dalmas Rodriguez |
Primeiro orientador: | Gilberto Maia |
Resumo: | A produção de eletrocatalisadores eficientes e acessíveis em termos de custo para a reação de desprendimento de oxigênio (RDO) é uma das etapas importantes para o desenvolvimento e aplicação de tecnologias eletroquímicas, objetivando a produção de combustível verde e energia limpa. Nesta pesquisa, realizamos a síntese e caracterização de eletrocatalisadores eficientes e estáveis para a RDO em meio alcalino à base de óxidos de Ni e/ou Co altamente dispersos em óxido de Zn originados de uma estrutura zeolítica de imidazol (ZIF8) usando-se uma combinação de métodos solvotérmico e calcinação. O compósito Ni/ZIF8 calcinado, denominado como compósito Ni/ZIF8–900A, exibiu a melhor atividade para a RDO dos materiais sintetizados, mostrando um sobrepotencial (η) em 10 mA cm −2 de 0,34 V, que foi o mesmo valor encontrado para o RuO2 e relativamente próximo ao valor obtido para o IrO 2 (0,29 V), os dois últimos sendo considerados catalisadores de última geração. Além disso, após o teste eletroquímico de longa duração, a menor perda de eletroatividade foi registrada para o compósito Ni/ZIF8–900A, evidenciando seu alto desempenho eletrocatalítico frente à RDO em meio alcalino. A caracterização físico-química utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET), mapeamento de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX), difração de raios-X (DRX), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS), análise elementar (AE), termogravimetria (TG) e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) revelou que o compósito Ni/ZIF8–900A é constituído de estruturas sobrepostas e fundidas (grandes blocos) com distâncias interplanares referentes aos planos (101) do ZnO e (111) do Ni 0,8 Zn 0,2 O; além de enriquecimento de Ni na superfície do catalisador Ni/ZIF8–900A (Ni(1):Zn(2) em % de massa em comparação com a composição do compósito como um todo (Ni(1):Zn(14) em % de massa)). A grande quantidade de Ni 3+ na superfície do compósito Ni/ZIF8–900A (antes e após o teste de estabilidade), bem como os átomos de N ligados aos metais, Ni e Zn, foram os responsáveis por sua melhor atividade eletrocatalítica para a RDO. Os resultados eletroquímicos revelaram que a estrutura da superfície do catalisador Ni/ZIF8–900A enriquecida com óxidos de Ni é ativada quando exposta a potenciais oxidativos durante os experimentos de RDO. Essa ativação da superfície levou a uma expansão da área ativa superficial e a um aumento no número de sítios ativos, devido à formação de óxidos, além da possibilidade de Ni 3+ ir a Ni 4+ nesses óxidos formados, contribuindo para sua elevada atividade eletrocatalítica para a RDO. Além disso, o baixo valor da inclinação de Tafel (61 mV dec −1 ) para o compósito Ni/ZIF8–900A sugere que a RDO envolve 4 elétrons, com a formação de oxihidróxido de Ni, operando com elevadas eficiência faradaica (98,4% a 1,62 V) e frequência de ciclabilidade (123,4 s −1 a 1,62 V). |
Abstract: | Advances in the design of efficient and affordable electrocatalysts for oxygen evolution reaction (OER) have been interpreted as important steps towards the development and application of electrochemical technologies for production of green fuel and clean energy. Herein, we report the synthesis and characterization of efficient and stable electrocatalysts toward OER in alkaline medium based on Ni and/or Co oxides highly dispersed on Zn oxide originated from zeolitic imidazole framework (ZIF8) by using a combination of solvothermal and calcination methods. The calcination of solvothermal treated Ni/ZIF8, named Ni/ZIF8–900A composite, exhibited the most impressive OER active among the synthesized materials, showing a η at 10 mA cm−2 of 0.34 V, which was the same value performed by RuO2 and relatively close to the value obtained by the IrO2 (0.29 V), both state-of-art catalysts. Furthermore, in the face of the long-term electrochemical test, the minor electroactivity loss was registered for the Ni/ZIF8–900A composite, evincing its high electrocatalytic performance toward OER in alkaline medium. The physicochemical characterization using scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray (EDX) mapping, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and elemental analysis (EA), thermogravimetry (TG) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) revealed that Ni/ZIF8–900A consists of overlapping and merged structures (large blocks) with lattice finger of (101) plane of ZnO and (111) plane of Ni 0.8 Zn 0.2 O, with Ni enrichment on the catalyst’s surface of Ni/ZIF8–900A (Ni(1):Zn(2) in mass % in comparison with bulk composition (Ni(1):Zn(14) in mass %)). The large amount of Ni 3+ at the surface of Ni/ZIF8–900A (before and after stability tests) as well as N atoms bonded to the metals were responsible for its improved OER electrocatalytic activity. The electrochemical results revealed that the surface structure of Ni oxides-enriched Ni/ZIF8–900A catalyst are activated when exposed to oxidative potentials during OER experiments. This surface activation led to an expansion of the active surface area and an increase in the number of active sites due to the formation of oxides, in addition to the possibility of Ni3+ conversion to Ni4+ on the oxides formed, contributing to its impressive OER electrocatalytic activity. Furthermore, its low Tafel slope value (ca. 61 mV dec −1 ) suggests the OER involves 4 electrons with the formation of Ni oxyhydroxide, operating under high faradaic efficiency (98.4 % at 1.62 V) and turnover frequency (123.4 s −1 at 1.62 V). |
Palavras-chave: | óxido de Níquel óxido de Co estruturas de imidazolato zeolítico eletrocatálise eletrólise da água reação de desprendimento de oxigênio. |
País: | Brasil |
Editor: | Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul |
Sigla da Instituição: | UFMS |
Tipo de acesso: | Acesso Restrito |
URI: | https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/5095 |
Data do documento: | 2022 |
Aparece nas coleções: | Programa de Pós-graduação em Química |
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