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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Desenvolvimento de eletrodos de difusão gasosa baseado em nanofolhas de SnO2 com desempenho melhorado na redução de CO2 em HCOOH
Alternate title (s): Development of gas diffusion electrodes based on SnO2 nanosheets with enhanced performance in CO2 reduction to HCOOH
Author: Silva, Cleiton Policarpo Martins da
First Advisor: Lopes, Osmando Ferreira
First member of the Committee: Munoz, Rodrigo Alejandro Abarza
Second member of the Committee: Oliveira, Jéssica Ariane de
Summary: A concentração de poluentes gasosos como CO2 tem aumentado significativamente devido a atividades antropogênicas. É urgente desenvolver formas eficazes, como a rota eletroquímica, para mitigar danos ambientais causados pelo descarte inadequado desse poluente. No entanto, desafios persistem, como a baixa atividade, seletividade e estabilidade dos eletrocatalisadores, além da baixa solubilidade do CO2 em água, resultando em densidades de corrente abaixo de -30 mA.cm-2. Neste sentido, a utilização de eletrodos de difusão gasosa em uma célula eletroquímica em fluxo exclui a necessidade de solubilizar o CO2 em um eletrólito aquoso e pode alcançar densidades de corrente superiores a -200 mA.cm-2. Portanto, o presente trabalho investigou o efeito das diferentes rotas de síntese do SnO2 nas suas propriedades físico-químicas (estrutura, morfologia e estado de oxidação) e na sua atividade eletroquímica na redução de CO2 a HCOOH. Os materiais foram sintetizados por uma rota hidrotérmica em diferentes pHs e os eletrodos de difusão gasosa foram preparados por spray-coating. As técnicas de caracterização demonstraram que as amostras SnO2-NS e SnO2-NP apresentaram estrutura cristalina tetragonal na fase rutilo do SnO2, onde a amostra sintetizada em pH alcalino apresentou maior grau de cristalinidade e morfologia de nanofolhas (SnO2-NS), enquanto a amostra sintetizada em pH neutro apresentou a morfologia de nanoesferas (SnO2-NP). As amostras foram submetidas em testes preliminares de fotocatalise na região do ultravioleta para avaliar sua atividade, uma vez que as reações de redução de CO2 são mais complexas. Os materiais sintetizados mostraram um excelente desempenho na redução de CO2 a HCOOH utilizando uma célula eletroquímica em fluxo, a amostra SnO2-NS apresentou uma eficiência faradaica (~90%) superior a amostra SnO2-NP. A amostra SnO2-NS quando aplicada em condições otimizadas apresentou uma eficiência faradaica de 98% com densidade de corrente superior a -220 mA cm-2. O desempenho catalítico melhorado da amostra SnO2-NS provavelmente está relacionado a sua morfologia bidimensional e a presença do estanho em dois estados de oxidação, Sn2+ e Sn4+, que resultou na diminuição do valor da resistência a transferência de carga do eletrodo. Desta forma, pode ser observado que a morfologia do SnO2 afeta o seu desempenho na redução eletroquímica de CO2, sendo o SnO2 com morfologia de nanofolhas a amostra com melhor performance para essa aplicação.
Abstract: The concentration of gaseous pollutants like CO₂ has significantly increased due to anthropogenic activities. It is urgent to develop effective methods, such as the electrochemical route, to mitigate environmental damage caused by the inadequate disposal of CO2. However, challenges persist, such as the low activity, selectivity, and stability of electrocatalysts, as well as the low solubility of CO₂ in water, resulting in current densities below -30 mA·cm⁻². In this regard, the use of gas diffusion electrodes in a flow electrochemical cell eliminates the need to dissolve CO₂ in an aqueous electrolyte and enables achieving current densities above -200 mA·cm⁻². Therefore, the present study investigated the effect of different synthesis routes of SnO₂ on its physicochemical properties (structure, morphology, and oxidation state) and their electrochemical activity in the reduction of CO₂ to HCOOH. The materials were synthesized by hydrothermal method at different pHs, and the gas diffusion electrodes were prepared by spray-coating. Characterization techniques demonstrated that the SnO₂-NS and SnO₂-NP samples presented a tetragonal crystalline structure in the rutile phase of SnO₂, where the sample synthesized at alkaline pH showed a higher degree of crystallinity and nanosheet morphology (SnO₂-NS), while the sample synthesized at neutral pH showed a nanosphere morphology (SnO₂-NP). The samples were subjected to preliminary photocatalysis tests in the ultraviolet region to evaluate their activity, as CO₂ reduction reactions are more complex. The synthesized materials showed excellent performance in the reduction of CO₂ to HCOOH using a flow electrochemical cell, with the SnO₂-NS sample presenting a faradaic efficiency (~90%) superior to the SnO₂-NP sample. The SnO₂-NS sample, when applied under optimized conditions, presented a faradaic efficiency of 98% with a current density greater than -220 mA·cm⁻². The improved catalytic performance of the SnO₂-NS sample is likely related to its two-dimensional morphology and the presence of tin in two oxidation states, Sn²⁺ and Sn⁴⁺, which resulted in a decrease in the charge transfer resistance of the electrode. Thus, it can be observed that the morphology of SnO₂ affects its performance in the electrochemical reduction of CO₂, with the SnO₂ nanosheet morphology being the sample with the best performance for this application.
Keywords: Eletrocatálise
Óxido de estanho
Ácido fórmico
Conversão de CO2
Célula eletroquímica em fluxo
Electrocatalysis
Tin oxide
Formic acid
CO2 conversion
Flow electrochemical cell
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::CINETICA QUIMICA E CATALISE
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Biocombustíveis
Quote: SILVA, Cleiton Policarpo Martins da. Desenvolvimento de eletrodos de difusão gasosa baseado em nanofolhas de SnO2 com desempenho melhorado na redução de CO2 em HCOOH. 2024. 81 f. Dissertação (Mestrado em Biocombustíveis) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.502.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.502
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41984
Date of defense: 29-Jul-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Biocombustíveis

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