Oxidação de glicerol via catalisadores híbridos com absorção de luz visível

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Cunha, Charles Garcia da
Orientador(a): Sitta, Elton lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
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/20.500.14289/19933
Resumo: The world's energy demand tends to grow exponentially in the next 30 years, obliging the development of more efficient methods to supply it. One of the alternatives to solve this problem is the use of solar energy through storage in chemical bonds, with emphasis on the H2 molecule obtained from water. However, this process is still a large-scale challenge, especially in relation to the oxidation process. In this context, the oxidation of small organic molecules can circumvent this problem, increasing the production of H2 and still providing products of commercial interest. Thus, this work aims to oxidize glycerol using photoelectrocatalysts with visible light absorption based on BiVO4 and X-C3N4/BiVO4, where "X" represents different carbon nitrides (PCN, X-PHI (Na, K, or Cs), Li-PTI, and BiVO4 was synthesized via Bi electrodeposition in FTO followed by thermal conversion at 500 ºC in the presence of vanadium acetylacetonate. The nitrides were synthesized by the method of thermal condensation of melanin in the presence of chlorides of alkali metals. To make the X-C3N4/BiVO4, the nitride of interest was deposited in the FTO via spin coating and the BiVO4 synthesis procedure was followed. The thermogravimetric analysis showed that the PCN has superior thermal stability than other nitrides in oxidizing atmosphere, the other materials showed degradation of ca 30% of the mass at 500 ºC. Although the nitrides presented different values of bandgap energy, Eg, the X-C3N4/BiVO4 heterojunctions presented values of Eg similar to pure BiVO4. XRD analysis also revealed that the BiVO4 phases were not changed by the presence of nitrides but scanning SEM measurements coupled to EDS revealed regions rich in Bi and V and others rich in C and N, suggesting the formation of heterojunctions. Photoelectrochemical assays showed that BiVO4 is active for both water oxidation and glycerol oxidation (1.0 mol L-1), but with four times increase in the presence of glycerol at 1.23 V vs RHE. Clearly, the type of nitride used to make the heterojunctions influences the activity of the material for glycerol oxidation, with the order of photocurrent at 1.23 V vs RHE being: PCN > BiVO4 > Cs-PHI/BiVO4 > K-PHI/BiVO4 > Na-PHI/BiVO4 > Li-PTI/BiVO4. SEM-EDS analysis after electrochemical tests revealed that the presence of carbon nitrides induces the segregation of vanadium oxides, contributing to a decrease in activity. That way, some heterostructures show promising performance for the oxidation of the glycerol molecule. However, besides the electronic structure able to transport electron from BiVO4, is important to look for CN with thermal stability to avoid their degradation during BiVO4 synthesis.
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spelling Cunha, Charles Garcia daSitta, Eltonhttp://lattes.cnpq.br/4326476348284298http://lattes.cnpq.br/0823518787250677https://orcid.org/0009-0002-8837-39892024-07-12T12:29:14Z2024-07-12T12:29:14Z2024-01-17CUNHA, Charles Garcia da. Oxidação de glicerol via catalisadores híbridos com absorção de luz visível. 2024. Dissertação (Mestrado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19933.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19933The world's energy demand tends to grow exponentially in the next 30 years, obliging the development of more efficient methods to supply it. One of the alternatives to solve this problem is the use of solar energy through storage in chemical bonds, with emphasis on the H2 molecule obtained from water. However, this process is still a large-scale challenge, especially in relation to the oxidation process. In this context, the oxidation of small organic molecules can circumvent this problem, increasing the production of H2 and still providing products of commercial interest. Thus, this work aims to oxidize glycerol using photoelectrocatalysts with visible light absorption based on BiVO4 and X-C3N4/BiVO4, where "X" represents different carbon nitrides (PCN, X-PHI (Na, K, or Cs), Li-PTI, and BiVO4 was synthesized via Bi electrodeposition in FTO followed by thermal conversion at 500 ºC in the presence of vanadium acetylacetonate. The nitrides were synthesized by the method of thermal condensation of melanin in the presence of chlorides of alkali metals. To make the X-C3N4/BiVO4, the nitride of interest was deposited in the FTO via spin coating and the BiVO4 synthesis procedure was followed. The thermogravimetric analysis showed that the PCN has superior thermal stability than other nitrides in oxidizing atmosphere, the other materials showed degradation of ca 30% of the mass at 500 ºC. Although the nitrides presented different values of bandgap energy, Eg, the X-C3N4/BiVO4 heterojunctions presented values of Eg similar to pure BiVO4. XRD analysis also revealed that the BiVO4 phases were not changed by the presence of nitrides but scanning SEM measurements coupled to EDS revealed regions rich in Bi and V and others rich in C and N, suggesting the formation of heterojunctions. Photoelectrochemical assays showed that BiVO4 is active for both water oxidation and glycerol oxidation (1.0 mol L-1), but with four times increase in the presence of glycerol at 1.23 V vs RHE. Clearly, the type of nitride used to make the heterojunctions influences the activity of the material for glycerol oxidation, with the order of photocurrent at 1.23 V vs RHE being: PCN > BiVO4 > Cs-PHI/BiVO4 > K-PHI/BiVO4 > Na-PHI/BiVO4 > Li-PTI/BiVO4. SEM-EDS analysis after electrochemical tests revealed that the presence of carbon nitrides induces the segregation of vanadium oxides, contributing to a decrease in activity. That way, some heterostructures show promising performance for the oxidation of the glycerol molecule. However, besides the electronic structure able to transport electron from BiVO4, is important to look for CN with thermal stability to avoid their degradation during BiVO4 synthesis.A demanda energética mundial tende a crescer de maneira exponencial nos próximos 30 anos, obrigando o desenvolvimento de métodos mais eficientes para supri-la. Uma das alternativas para resolver tal problema é o aproveitamento da energia solar por meio do armazenamento em ligações químicas, com destaque para a molécula de H2 obtida a partir do water splitting. Porém, esse processo ainda é um desafio em larga escala, principalmente em relação ao processo de oxidação. Neste contexto, a oxidação de pequenas moléculas orgânicas pode contornar esse problema, elevando a produção de H2 e ainda fornecendo produtos de interesse comercial. Assim, este trabalho tem como objetivo a oxidação de glicerol utilizando fotoeletrocatalisadores com absorção de luz visível baseados em BiVO4 e X-C3N4/BiVO4, em que “X” representa diferentes metais alcalinos na composição dos nitretos de carbono e C3N4 representa os nitretos de carbono tais como (PCN, X-PHI (Na, K ou Cs), Li-PTI). O BiVO4 foi sintetizado via eletrodeposição de Bi em FTO seguido da conversão térmica a 500 ºC na presença de acetilacetonato de vanádio. Os nitretos foram sintetizados pelo método da condensação térmica da melanina na presença de cloretos de metais alcalinos. Para a confecção dos X-C3N4/BiVO4 depositou-se o nitreto de interesse no FTO via spin coating e seguiu-se o procedimento de síntese do BiVO4. A análise termogravimétrica mostrou que o PCN possui estabilidade térmica superior aos outros nitretos (X-PHI(Na, K ou Cs) e Li-PTI) em atmosfera oxidante, esses materiais apresentaram degradação de (ca. 30%) da massa em 500 ºC. Apesar dos nitretos apresentarem diferentes valores de energia de bandgap, Eg, as heterojunções X-C3N4/BiVO4 apresentaram valores de Eg similares ao BiVO4 puro. A análise por XRD também revelou que as fases do BiVO4 não foram alteradas pela presença dos nitretos, porém as medidas de MEV acoplada ao EDS revelaram regiões ricas em Bi e V e outras ricas em C e N, sugerindo a formação das heterojunções. Os ensaios fotoeletroquímicos mostraram que o BiVO4 é ativo tanto para oxidação da água quanto para oxidação de glicerol (1,0 mol L-1), mas com aumento de quatro vezes na presença de glicerol em 1,23 V vs EHR. Claramente, o tipo de nitreto utilizado para síntese das heterojunções exerce influência na atividade no material para oxidação do glicerol, sendo a ordem das fotocorrentes em 1,23 V vs EHR: PCN/BiVO4 > BiVO4 > Cs-PHI/BiVO4 > K-PHI/BiVO4 > Na-PHI/BiVO4 > Li-PTI/BiVO4. Análises de MEV-EDS após os ensaios eletroquímicos revelaram que a presença de nitretos de carbono induz a segregação de óxidos de vanádio, contribuindo para diminuição da atividade. Dessa forma, o uso de alguns tipos de nitretos nas heteroestruturas com BiVO4 apresentam desempenho promissor frente a oxidação da molécula de glicerol, mas esses materiais, além de estruturas eletrônicas efetivas para o acoplamento com BiVO4, necessitam de estabilidade térmica para não serem degradados durante a síntese do BiVO4.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)165523/2021-2porUniversidade 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/openAccessGlicerolVanadato de bismutoNitreto de carbonoReação fotoeletroquímicaGlycerolBismuth vanadateCarbon nitridePhotoelectrochemical reactionCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICAOxidação de glicerol via catalisadores híbridos com absorção de luz visívelGlycerol oxidation via hybrid catalysts with visible light absorptioninfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTdissertacao_Charles_Cunha_2024_deposito_UFSCar.pdf.txtdissertacao_Charles_Cunha_2024_deposito_UFSCar.pdf.txtExtracted texttext/plain102858https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5a1c05fe-d1d8-4489-bda4-48d35c5f84d7/downloadde809fa1ba34800c33ef344883efdaa8MD54falseAnonymousREADTHUMBNAILdissertacao_Charles_Cunha_2024_deposito_UFSCar.pdf.jpgdissertacao_Charles_Cunha_2024_deposito_UFSCar.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg5287https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/be4cba1d-6e3e-49b2-96dc-09d72fde1247/downloadde29975f6d15a2d2665b4a43923ddc6bMD55falseAnonymousREADORIGINALdissertacao_Charles_Cunha_2024_deposito_UFSCar.pdfdissertacao_Charles_Cunha_2024_deposito_UFSCar.pdfdissertação de mestradoapplication/pdf2333093https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d59d45db-c8bd-449a-8b96-29e76e9838a0/download666fde248d09d643ad6062ef56c13147MD53trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/dc8618af-800d-4ada-9c4c-6abd7816ebcd/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREAD20.500.14289/199332025-02-06 02:20:07.499http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/19933https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:20:07Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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