Aperfeiçoamento da eletrossíntese de peróxido de hidrogênio: desenvolvimento e aplicação de catalisadores a base de materiais carbonáceos modificados

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Cordeiro Junior, Paulo Jorge Marques
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: advanced electrochemical oxidative processes; electrosynthesis of hydrogen peroxide; eletrodo de difusão gasosa; eletrossíntese de peróxido de hidrogênio; gas diffusion electrode; oxygen reduction reaction; processos eletroquímicos oxidativos avançados; reação de redução do oxigênio
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75135/tde-14092022-153410/

A eletrossíntese de peróxido de hidrogênio (H2O2) a partir da reação de redução de oxigênio (RRO) via transferência de 2 elétrons tem sido um tema de grande interesse, principalmente na busca de novas tecnologias e catalisadores eficientes. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de novos catalisadores a base de materiais carbonáceos modificados com compostos coordenados de porfirina e seu emprego na composição de eletrodos de difusão gasosa (EDG) visando a aplicação na remoção do interferente endócrino, bisfenol-S. Além disso, foi desenvolvido uma nova tecnologia baseada em EDG e reatores eletroquímicos flow-by para produção de H2O2 em altas concentrações. Foram investigados, por meio de ensaios eletroquímicos hidrodinâmicos, diferentes materiais carbonáceos comerciais para serem aplicados como matriz catódica para a RRO via produção de H2O2, e como suas propriedades químicas e físico-químicas contribuem para a seletividade e atividade eletrocatalítica. Os carbonos Printex L6 (CP-L6) e Printex XE2B foram os que apresentaram maiores seletividades e atividades catalíticas para a eletrossíntese de H2O2, cuja alta área superficial e a presença de grupos funcionais oxigenados do tipo carboxila foram as principais propriedades intrínsecas responsáveis pelo alto desempenho. Dentre os diferentes compostos de porfirina estudados (Mn, Co, Ni, Cu e Zn) como modificadores do CP-L6, a incorporação de 5,0 % de Co-Porfirina no CP-L6 (Co-Porfirina/CP-L6) mostrou os melhores resultados, no qual foi possível manter a alta seletividade da matriz de CP-L6 em 90,0% e melhorar a eletrocatálise da RRO em 72,6%. Este melhor desempenho foi atribuído principalmente, às interações eletrônicas π-π entre o centro metálico cobalto e os sítios ativos presentes na matriz CP-L6 que provocam um efeito eletrocatalítico na eletrossíntese de H2O2. O EDG modificado com Co-Porfirina/CP-L6 levou a uma eletrogeração de H2O2 de 333 mg L-1 no potencial de -1,50 V vs. Ag/AgCl e permitiu uma mineralização do BPS em 80% com um consumo energético de 6,3 kWh kg-1 em 360 min via processo foto eletro-Fenton (FEF). A matéria orgânica remanescente foi identificada como ácidos carboxílicos de cadeia curta, comprovando a alta eficiência do processo FEF na remoção do bisfenol-S. Por fim, a tecnologia baseada em CP-L6TC/EDG desenvolvida e aplicada em reatores eletroquímicos flow-by, permitiu a obtenção de uma produção de H2O2 de 4,6 g L-1 em 12 horas na densidade de corrente de 75 mA cm-2, quando operado nas condições otimizadas de temperatura, fluxo de gás O2 e porcentagem de PTFE. Portanto, espera-se que com os avanços descritos nesta tese, no tocante à eletrossíntese de H2O2 a partir da RRO empregando eficientes catalisadores a base de materiais carbonáceos modificados, contribuam para o desenvolvimento de sistemas de produção de H2O2 ou de catalisadores ainda mais eficientes.