%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21d/2023/02.24.19.10
%2 sid.inpe.br/mtc-m21d/2023/02.24.19.10.56
%T Desenvolvimento de eletrocatalisadores por sínteses sustentáveis: caracterização e estudo do desempenho eletroquímico
%J Development of electrocatalysts by sustainable syntheses: characterization and study of electrochemical performance
%D 2023
%8 2023-03-22
%9 Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores)
%P 124
%A Fonseca, Beatriz Carvalho da Silva,
%E Baldan, Maurício Ribeiro (presidente/orientador),
%E Matsushima, Jorge Tadao (orientador),
%E Labat, Gisele Aparecida Amaral,
%E Fernandes, Valéria Cristina,
%E Borges, Claudia Renata,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K licor negro, processos sustentáveis, tanino, eletrocatalisadores, redução eletroquímica do CO2, black liquor, sustainable process, tannin, electrocatalysts, electrochemical reduction of CO2.
%X Este estudo tem como objetivo principal desenvolver materiais compósitos porosos por meio de rotas altamente sustentáveis, diferenciadas e inovadoras, versando sobre a reutilização integral de um resíduo tóxico, o licor negro kraft. Estes materiais constituem-se de matrizes carbonosas oriundas de resíduos e fontes renováveis, e ainda aborda a utilização de metais de baixo custo adicionados à matriz por processos simples que também possuem baixo custo. São explorados e demonstrados dois diferentes tipos de rotas que propiciem a formação de materiais compósitos verdes, de alto valor agregado, com a diminuição de reagentes sintéticos no processo. Os materiais produzidos foram aplicados na redução eletroquímica de CO2, uma técnica que está sendo amplamente estudada para a captura e conversão de CO2 em produtos de valor agregado, visando diminuir os impactos do efeito estufa. Até onde sabemos, eletrocatalisadores com suporte carbonoso derivado de licor negro e/ou tanino para a redução de CO2 ainda não foram relatados na literatura. O primeiro estudo é pioneiro na síntese de uma matriz carbonosa puramente sustentável, sem a utilização de reagentes sintéticos tóxicos para a reação de formação da matriz de carbono. Neste estudo, materiais compósitos formados por C e Sn, com diferentes teores de Sn, foram sintetizados por uma rota altamente inovadora e sustentável, em que licor negro e tanino foram utilizados como precursores da matriz carbonosa. Neste processo foram empregados templates ((poli (metacrilato de metila) (PMMA) e Pluronic F-127)) para a geração de {{porosidade;}} o reagente dimetilformamida para a incorporação de estruturas nitrogenadas e cloreto de estanho como precursor de Sn. Os materiais sintetizados foram caracterizados e a melhor atividade atingida na reação de redução eletroquímica de CO2 foi da amostra MC-N-Sn-28, que possui o maior teor de Sn estimado (28 %), um maior recobrimento de Sn na matriz carbonosa, um maior percentual de mesoporos e planos cristalinos intensos com maior predominância de SnO. Além disso, foram observadas uma maior concentração de grupos N-piridínico e O-Sn neste material. No segundo estudo, outro tipo de compósito constituído de suporte carbonoso oriundo do licor negro kraft e nanopartículas de cobre foi produzido a partir do método de polimerização convencional resorcinol-ligninaformaldeído, seguido de uma rota de deposição eletroquímica de Cu. A rota de deposição eletroquímica apresentada é simples, de baixo custo, sem reagentes tóxicos e pioneira para adição de Cu em suporte carbonoso oriundo do licor negro kraft. Nesta abordagem, um método de evaporação do licor negro bruto foi explorado para se conseguir uma maior área superficial e maior volume de poros. O compósito C-Cu produzido exibiu atividade eletrocatalítica na ativação de CO2, resultante dos sítios ativos superficiais de Cu metálico incorporados a matriz carbonosa. Para ambos os estudos, foi verificado que os processos de síntese empregados foram satisfatórios para a incorporação de Sn ou Cu nas matrizes carbonosas. Além disso, a incorporação de Sn ou Cu aos suportes carbonosos foi crucial para aumentar a atividade catalítica nos processos eletroquímicos, em especial na redução eletroquímica de CO2. ABSTRACT: This work aims to develop porous composite materials through highly sustainable, differentiated, and innovative routes, with the integral use of toxic waste, kraft black liquor. These materials consist of carbonaceous matrices derived from waste and renewable sources and address the use of low-cost metals added to the matrix by simple and low-cost processes. Two different routes are explored for the formation of green composite materials, with high added value and reduction of synthetic reagents in the process. The materials produced were applied in the electrochemical reduction of CO2, a technique that is being widely studied for the capture and conversion of CO2 into value-added products, aiming to reduce the impacts of the greenhouse effect. To the best of our knowledge, electrocatalysts incorporated to a carbonaceous support derived from black liquor and/or tannin for CO2 reduction have not yet been reported in the literature. The first study is a pioneer in the synthesis of a purely sustainable carbon matrix, without the use of toxic synthetic reagents for the carbon matrix formation. In this study, composite materials formed by C and Sn, with different Sn contents, were synthesized by a highly innovative and sustainable route, in which black liquor and tannin were used as precursors of the carbonaceous matrix. In this process, templates ((poly (methyl methacrylate) (PMMA) and Pluronic F-127)) were used to generate {{porosity;}} the dimethylformamide reagent for the incorporation of nitrogenous structures and tin chloride as a precursor of Sn. The synthesized materials were characterized, and the best activity achieved in the electrochemical reduction of the CO2 reaction was from the MC-N-Sn-28 sample, which presented the highest estimated Sn content (28 %), a larger Sn coverage, a higher percentage of mesopores, and intense crystalline planes with a higher predominance of SnO. In addition, a higher concentration of N-pyridine and O-Sn groups were observed in this material. In the second study, a composite consisting of carbonaceous support derived from kraft black liquor and copper nanoparticles was produced through the conventional resorcinol-ligninformaldehyde polymerization method, followed by an electrochemical Cu deposition route. The deposition route is simple, low cost, without toxic reagents, and a pioneer for the addition of Cu in carbonaceous support from kraft black liquor. In this approach, a crude black liquor evaporation method was explored to achieve a larger surface area and larger pore volume. The C-Cu composite exhibited electrocatalytic activity in CO2 activation, resulting from surface active sites of metallic Cu incorporated into the carbonaceous matrix. For both studies, it was verified that the synthesis processes were satisfactory for the incorporation of Sn or Cu in the carbonaceous matrices. Furthermore, the incorporation of Sn or Cu into carbonaceous supports was crucial to increase the catalytic activity in electrochemical processes, especially in the electrochemical reduction of CO2.
%@language pt
%3 publicacao.pdf