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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Correlação estrutura-desempenho do ZnO na fotodegradação de poluentes e na redução eletroquímica de CO2 em CO
Alternate title (s): Structure-performance correlation of ZnO in the photodegradation of pollutants and in the electrochemical reduction of CO2 to CO₂.
Author: Marrenjo, Gonçalves Jotamo
First Advisor: Lopes, Osmando Ferreira
First coorientator: Pasquini, Daniel
First member of the Committee: Faria, Anízio Marcio de
Second member of the Committee: Nossol, Edson
Third member of the Committee: Marcante, Luiza Amim
Fourth member of the Committee: Oliveira, Caue Ribeiro
Summary: As atividades antropogênicas geram quantidades excessivas de poluentes orgânicos e inorgânicos. Esses poluentes são descartados em diversos ambientes, como a água, atmosfera, e solo sem tratamento adequado. A fotocatálise heterogênea destaca-se como alternativa promissora para a degradação de poluentes orgânicos, enquanto a eletrocatálise se apresenta como estratégia relevante na redução eletroquímica do CO2 em produtos de maior valor agregado. Apesar de aplicarem-se a finalidades distintas, ambas compartilham fundamentos comuns de geração, separação e transporte de cargas em semicondutores, promovendo soluções ambientais e energéticas sustentáveis. Neste estudo, foi investigado o efeito da temperatura de síntese e da funcionalização com grupos aminas nas propriedades físico-químicas e no desempenho do óxido de zinco (ZnO) em processos foto e eletrocatalíticos aplicados na: i) degradação de poluentes orgânicos e ii) na redução eletroquímica de CO2. As amostras de ZnO foram testadas na fotodegradação de fármacos (Amilorida e Ciprofloxacino) e dos corantes (azul de metileno e Rodamina-B). A amostra de ZnO sintetizada a 100 °C apresentou desempenho fotocatalítico superior em relação às amostras obtidas em temperaturas mais elevadas. Esse resultado pode ser atribuído à sinergia entre as fases estruturais de Zn(OH)2/ZnO aliada à maior área superficial específica do material. ii) A amostra de ZnO foi modificada com monoetanolamina, a sua caracterização evidenciou que a funcionalização resultou em materiais com morfologia e grupos superficiais distintos. A amostra amino-funcionalizada ZnO/Met-100 apresentou desempenho superior na redução de CO2 em CO, alcançando eficiência faradaica de aproximadamente 90% para CO em densidades de corrente superiores a -100 mA cm-2. Esse resultado é atribuído à presença de grupos amino na superfície do ZnO, que favorecem a adsorção do CO2 e aumentam a seletividade para a formação de CO. O estudo de espectroscopia FTIR in situ permitiu monitorar os intermediários de reação e propor um possível mecanismo reacional. Os resultados obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) confirmaram que a presença de grupos amino no ZnO funcionalizado promoveu uma redução significativa na resistência à transferência de carga, favorecendo a cinética do processo eletrocatalítico. A estabilidade do ZnO funcionalizado com grupos amino foi investigada em condições operacionais eletroquímicas, demonstrando-se estável ao longo de 100 h de funcionamento contínuo em uma célula do tipo membrane electrode assembly (MEA). O sistema operou a uma densidade de corrente de 50 mA cm-2, mantendo uma eficiência faradaica superior a 70% e um potencial total de célula de aproximadamente 2,7 V.
Abstract: Anthropogenic activities generate excessive amounts of organic and inorganic pollutants, which are often released into water, air, and soil without adequate treatment. Heterogeneous photocatalysis has emerged as a promising approach for the photodegradation of organic contaminants, while electrocatalysis offers an efficient pathway for the electrochemical reduction of CO2. In this study, the effect of synthesis temperature and amine functionalization on the physicochemical properties and performance of zinc oxide (ZnO) was investigated in photo and electrocatalytic processes applied to:(i) the degradation of organic pollutants and (ii) the electrochemical reduction of CO2. The ZnO samples were tested for the photodegradation of pharmaceuticals (Amiloride and Ciprofloxacin) and dyes (Methylene Blue and Rhodamine B). The ZnO sample synthesized at 100 °C exhibited superior photocatalytic performance compared to those obtained at higher synthesis temperatures. This result can be attributed to the synergy between the Zn(OH)2/ZnO structural phases combined with the higher specific surface area of the material. (ii)The ZnO sample was modified with monoethanolamine, and its characterization revealed that the functionalization led to materials with distinct morphology and surface groups.The amino-functionalized sample, ZnO/Met-100, exhibited superior performance in the electrochemical reduction of CO2 to CO, achieving a Faradaic efficiency of approximately 90% for CO at current densities exceeding -100 mA cm-2.This result is attributed to the presence of amino groups on the ZnO surface, which enhance CO2 adsorption and increase selectivity toward CO formation. The in situ FTIR spectroscopy study enabled the monitoring of reaction intermediates and the proposal of a possible reaction mechanism. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results confirmed that the presence of amino groups on the functionalized ZnO significantly reduced the charge-transfer resistance, thereby facilitating the kinetics of the electrocatalytic process. The stability of the amino-functionalized ZnO was investigated under electrochemical operating conditions, demonstrating excellent durability over 100 h of continuous operation in a membrane electrode assembly (MEA) cell. The system operated at a current density of 50 mA cm-2, maintaining a Faradaic efficiency above 70% and a total cell potential of approximately 2.7 V. These results reinforce the viability of the material for sustainable electrocatalytic applications.
Keywords: Fotocatálise
Eletrocatálise
Óxido de Zinco
Conversão de CO2
Aminas
Photocatalysis
Electrocatalysis
Zinc Oxide
CO2 Conversion
Amines
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Subject: Poluentes
Eletroquímica
Sustentabilidade e meio ambiente
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Biocombustíveis
Quote: MARRENJO, Gonçalves Jotamo. Correlação estrutura-desempenho do ZnO na fotodegradação de poluentes e na redução eletroquímica de CO2 em CO. 2025. 126f. Tese (Doutorado em Biocombustiveis) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.271.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.271
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48742
Date of defense: 1-Dec-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 6. Água potável e saneamento - Garantir disponibilidade e manejo sustentável da água e saneamento para todos.
ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
Appears in Collections:TESE - Biocombustíveis

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