Construção de eletrodos porosos assistidos por ultrassom e aplicação frente à eletro-oxidação de glucose e eletroredução de O2

Abstract

Células a combustível alimentadas por glucose possuem dois tipos de catalisadores, biológicos ou abióticos. Catalisadores abióticos vêm ganhando espaço por apresentarem estabilidade eletroquímica e serem biocompatíveis. Esses catalisadores são dispersos em materiais porosos condutores, como carbon paper (CP), por diferentes técnicas, dentre as mais usadas estão a imersão e a dispersão por spray. A dispersão por spray é rápida, reprodutível, mas resulta em muito desperdício, enquanto que a amplamente utilizada técnica de imersão não apresenta desperdícios, mas é lenta e não reprodutível. O interesse na construção de eletrodos porosos se deve à direta correlação entre desempenho e boa distribuição dos catalisadores, independentemente da aplicação. Neste contexto, nós desenvolvemos uma técnica de dispersão em banho ultrassônico e comparamos os resultados com eletrodos construídos por imersão. Para isso, utilizamos nanopartículas de Pt/C dispersas em CP e investigamos a atividade catalítica desses eletrodos frente à eletro-oxidação de glucose e eletroredução de O2. As reações foram avaliadas em pH 7 e 37 °C com objetivo de aproximar o sistema de condições fisiológicas, visando a construção de células a combustível biológicas. O método proposto mostrou uma boa distribuição de Pt/C, produzindo uma elevada área superficial eletroquimicamente ativa. A elevada área aumenta o fator de frequência de colisão dos reagentes com os sítios ativos, traduzido em aumento de densidade de corrente. Adicionalmente, o potencial de início da reação de redução de O2 foi melhorado, resultando em um potencial de circuito aberto teórico de 800 mV. Investigamos também o desempenho de uma célula a combustível passiva de glucose/O2 do tipo-H, a qual apresentou 834 mV de potencial de circuito aberto, muito próximo àquele encontrado em meia célula. Além disso, os eletrodos preparados em banho ultrassônico foram aplicados em uma célula microfluídica (μFC) de glucose/O2 simulando as condições fisiológicas, em diferentes fluxos, registrando um potencial de circuito aberto de 63,8 mV e uma densidade de potência máxima de 11,84 μW cm-2 com o fluxo de 900 μL min-1. Esses resultados sugerem um dispositivo em potencial, principalmente devido à selagem reversível e praticidade de construção comparado aqueles reportados na literatura. Além de operar apenas com Pt/C dispersas sobre eletrodos porosos, é a primeira μFC de glucose/O2 simulando condições fisiológicas com eletrodos abióticos. O uso de ultrassom auxilia a dispersão de catalisadores, sendo assim uma técnica promissora para a construção de eletrodos de porosos de alto desempenho, podendo melhorar a GDL de uma célula a combustível e de eletrolisadores. A estratégia utilizada neste trabalho pode melhorar o desempenho de sistemas eletroquímicos e reduz o tempo investido na produção.