Otimização da eletro-oxidação controlada de metano sobre a superfície de eletrodos de ouro visando a formação de moléculas de valor agregado

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Andrade, Renato Nunes de
Orientador(a): Oliveira, Cauê Ribeiro de lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Química - PPGQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20195
Resumo: OPTIMIZATION OF THE CONTROLLED ELECTROOXIDATION OF METHANE ON THE SURFACE OF GOLD ELECTRODIES FOR THE FORMATION OF VALUE-ADDED MOULECULES: This work aims to contribute to the understanding of the partial electrooxidation of methane to methanol. The challenge of this proposal is the unfavorable reaction kinetics of this hydrocarbon in oxidizing due to its tetrahedral and non-polar molecular geometry. These factors make it difficult to break the carbon-hydrogen bond to form methyl radicals followed by the addition of oxygen, and another aspect is the molecule's low solubility in water. The most common process for obtaining methanol is by reforming methane, which requires high temperatures (700 to 1100 ºC). However, electrocatalyst systems are a promising alternative, given their ability to do this under milder conditions (25 ºC and 1 atm). In this thesis, an H-shaped electrochemical cell system was used to collect data by varying the pH, type of electrolyte, concentration and cell potential in order to create a data set that could predict, using linear and polynomial regression algorithms and support vector machines, which condition would be the most favorable for methanol production on the gold electrodes surface. In this sense, 0.1 M lithium carbonate at a potential of 0.2 V vs. Ag|AgCl and 0.1 M potassium hydroxide at a potential of 1.0 V vs. Ag|AgCl were the most promising production systems. Furthermore, the literature has always credited potential and pH as determining factors in the selectivity of electrochemical reactions, but this study shows that the radius of the cation in the selected material plays a much more important role in the electrooxidation of methane to methanol. Finally, this is a technology that can be developed in synergy with the already prestigious green hydrogen (GH2), which uses renewable or clean energy, through photoelectrocatalysis of solar energy. However, the advantage of methanol is that it is easy to store as it is a liquid, rather than an explosive gas like H2(g).
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These factors make it difficult to break the carbon-hydrogen bond to form methyl radicals followed by the addition of oxygen, and another aspect is the molecule's low solubility in water. The most common process for obtaining methanol is by reforming methane, which requires high temperatures (700 to 1100 ºC). However, electrocatalyst systems are a promising alternative, given their ability to do this under milder conditions (25 ºC and 1 atm). In this thesis, an H-shaped electrochemical cell system was used to collect data by varying the pH, type of electrolyte, concentration and cell potential in order to create a data set that could predict, using linear and polynomial regression algorithms and support vector machines, which condition would be the most favorable for methanol production on the gold electrodes surface. In this sense, 0.1 M lithium carbonate at a potential of 0.2 V vs. Ag|AgCl and 0.1 M potassium hydroxide at a potential of 1.0 V vs. Ag|AgCl were the most promising production systems. Furthermore, the literature has always credited potential and pH as determining factors in the selectivity of electrochemical reactions, but this study shows that the radius of the cation in the selected material plays a much more important role in the electrooxidation of methane to methanol. Finally, this is a technology that can be developed in synergy with the already prestigious green hydrogen (GH2), which uses renewable or clean energy, through photoelectrocatalysis of solar energy. However, the advantage of methanol is that it is easy to store as it is a liquid, rather than an explosive gas like H2(g).OTIMIZAÇÃO DA ELETRO-OXIDAÇÃO CONTROLADA DE METANO SOBRE A SUPERFÍCIE DE ELETRODOS DE OURO VISANDO A FORMAÇÃO DE MÓLECULAS DE VALOR AGREGADO: Este trabalho se propõe a contribuir nos estudos da eletro-oxidação parcial do metano à metanol. O desafio dessa proposta consiste na cinética de reação desfavorável desse hidrocarboneto em se oxidar em função de sua geometria molecular tetraédrica e não polar. Esses fatores torna a ligação carbono-hidrogênio difíceis de serem rompidas para formar radicais metila seguidos da adição de algum tipo de óxido e, também, outro aspecto é a baixa solubilidade da molécula em água. O processo mais comum de obtenção de metanol é pela reforma de metano, que requer altas temperaturas (700 a 1100 ºC). Contudo, os sistemas eletrocatalisadores se apresentam como alternativa promissora, tendo em vista a capacidade de fazê-lo em condições mais amenas (25 ºC e 1 atm). Nessa tese utilizou-se um sistema de célula eletroquímica de vidro em formato H para coletar dados variando o pH, tipo de eletrólito, concentração e o potencial de célula para dar origem a um conjunto de dados que pudesse prever, por meio de algoritmos de regressão linear, polinomial e de máquinas de vetores de suporte, qual seria a condição mais favorável à produção de metanol sobre a superfície do ouro. Nesse sentido, o carbonato de lítio 0,1 M em potencial de 0,2 V vs. Ag|AgCl e o hidróxido de potássio 0,1 M em potencial 1,0 V vs. Ag|AgCl, foram os sistemas mais eficazes. Ademais, a literatura sempre creditou o potencial e pH como fator determinante de seletividade das reações eletroquímica, mas esse estudo mostra que o raio do cátion do material selecionado, tem papel muito mais relevante para oxidação do metano à metanol. Por fim, essa é uma tecnologia que pode ser desenvolvida em sinergia com a já prestigiada de hidrogênio verde (H2V), que utiliza energia renovável ou limpa, através fotoeletrocatálise de energia solar. Contudo, a vantagem do metanol é a facilidade de estocá-lo por ser um líquido, em vez de um gás explosivo como é o H2(g).Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)141682/2019-1porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMetanoMetanolEletro-oxidação controladaEletrodo de ouroMethaneMethanolControlled electrooxidationGolde electrodeCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICAOtimização da eletro-oxidação controlada de metano sobre a superfície de eletrodos de ouro visando a formação de moléculas de valor agregadoOptimization of the controlled electrooxidation of methane on the surface of gold electrodies for the formation of value-added mouleculesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXT[TESE][Renato Nunes de Andrade][MAI]-2024]_Rev_Caue.pdf.txt[TESE][Renato Nunes de Andrade][MAI]-2024]_Rev_Caue.pdf.txtExtracted texttext/plain105201https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/002ec29d-c64e-4326-9d5a-37a92f7ac689/download86e12984cde7c195ab9c15a85e6dc936MD56falseAnonymousREAD2024-07-06THUMBNAIL[TESE][Renato Nunes de Andrade][MAI]-2024]_Rev_Caue.pdf.jpg[TESE][Renato Nunes de Andrade][MAI]-2024]_Rev_Caue.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4757https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/6f37d6bc-12d1-407f-b63c-85142d61197f/downloaddf5ed6ad51cb9db4fa043fc3652b2901MD57falseAnonymousREAD2024-07-06ORIGINAL[TESE][Renato Nunes de Andrade][MAI]-2024]_Rev_Caue.pdf[TESE][Renato Nunes de Andrade][MAI]-2024]_Rev_Caue.pdfapplication/pdf3423699https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/f6a2fd33-dc35-487b-9148-44d2dddbeb12/download236e8e12cf201ab54e9486a31f717e03MD54trueAnonymousREAD2024-07-06CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1e971add-0823-4e7d-88e1-40961751e454/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD55falseAnonymousREAD2024-07-0620.500.14289/201952025-02-06 02:43:20.714http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/20195https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:43:20Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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