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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/22790
Tipo do documento: | Dissertação |
Título: | Desenvolvimento de eletrodos impressos em 3D para aplicação na Reação de Evolução de Oxigênio |
Título(s) alternativo(s): | Development of 3D printed electrodes for application in the Oxygen Evolution Reaction |
Autor: | Marçal, Raphaela dos Santos |
Primeiro orientador: | Carvalho, Nakédia Maysa Freitas |
Primeiro coorientador: | Silva, Ana Luisa |
Primeiro membro da banca: | Senna, Lílian Ferreira de |
Segundo membro da banca: | Silva, Júlio César Martins da |
Terceiro membro da banca: | Dornellas, Rafael Machado |
Resumo: | Recentemente, houve um avanço significativo na busca por soluções ambientais para os impactos causados pelo uso de combustíveis fósseis como fonte primária de energia, o que tem levado a um aumento no interesse por tecnologias eficientes que possam converter e armazenar energia a partir de fontes renováveis, especialmente aquelas que usam a energia solar para imitar o processo natural de fotossíntese, resultando na produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água. No entanto, devido à sua natureza desafiadora tanto cineticamente quanto termodinamicamente, esse processo de fotossíntese artificial precisa do uso de catalisadores estáveis para viabilizar as semirreações de evolução de hidrogênio (HER) e de evolução de oxigênio (OER) para geração de H2 e O2, respectivamente. Além disso, outro desafio é em relação aos sistemas eletroquímicos atuais, que são constituídos por eletrodos de alto custo, o que encarece a produção de hidrogênio em larga escala. Com isso, muitos estudos são realizados para obter materiais mais baratos e de fácil aquisição como alternativa eficiente para serem usados nesses sistemas. A impressão 3D se mostra uma excelente opção de ferramenta para a produção de eletrodos impressos condutivos, usando filamentos compósitos. Neste trabalho, realizou-se a modelagem e impressão de eletrodos via impressora 3D para aplicação na reação de oxidação da água, além da síntese e caracterização de ferrita de níquel, NiFe2O4, como eletrocatalisador, e a modificação da superfície dos eletrodos impressos com a NiFe2O4 sintetizada. Técnicas como Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão, estabilidade térmica e eletroquímica, foram utilizadas na caracterização dos materiais. O filamento compósito comercial utilizado no trabalho apresentou uma composição de 40% (m/m) de material carbonáceo. Os dados analíticos mostraram a necessidade de ativação dos eletrodos compósitos impressos, que se mostraram promissores para utilização em eletrocatálise. Os eletrodos ativados física/quimicamente apresentaram melhor desempenho em j = 10 mA cm-2: sobrepotencial (η) de 810 mV na OER em meio alcalino, e os menores valores de inclinação de Tafel. Entretanto, o eletrodo ativado quimicamente forneceu a menor resistência à transferência de cargas (Rp = 115 Ω). Os eletrodos ativados fisicamente precisam ser estudados mais a fundo pois apesar da natureza capacitiva (Rp = 1,45 kΩ), seus resultados de OER apresentaram tendência inversa (η = 570 mV). |
Abstract: | Recently, there has been significant progress in the search for environmental solutions to the impacts caused by the use of fossil fuels as a primary source of energy, which has led to an increase in interest in efficient technologies that can convert and store energy from renewable sources, especially those that use solar energy to mimic the natural process of photosynthesis, resulting in the production of hydrogen through water electrolysis. However, due to its challenging nature both kinetically and thermodynamically, this artificial photosynthesis process requires the use of stable catalysts to enable the hydrogen evolution (HER) and oxygen evolution (OER) half-reactions to generate H2 and O2, respectively. Furthermore, another challenge lies in the current electrochemical systems, which are made up of high-cost electrodes, thereby increasing the production costs of hydrogen on a large scale. As a result, many studies are being conducted to obtain cheaper and readily available materials as an efficient alternative for these systems. 3D printing has proven to be an excellent tool option for producing conductive printed electrodes, using composite filaments. In this work, electrode modeling and printing were carried out via 3D printer for application in the water oxidation reaction, in addition to the synthesis and characterization of nickel ferrite, NiFe2O4, as an electrocatalyst, and surface modification of the printed electrodes with the synthesized NiFe2O4. Techniques such as X-ray Diffraction, Scanning and Transmission Electron Microscopy, thermal stability and electrochemical analyses were performed to characterize the composite electrode and nickel ferrite. The commercial composite filament used in the work had a composition of 40% (m/m) of carbonaceous material. The data showed the need of activate the printed composite electrodes, which showed promise for use in electrocatalysis. The physically/chemically activated electrodes showed better performance at j = 10 mA cm-2: overpotential (η) of 810 mV in the OER in an alkaline medium, and the lowest Tafel slope values. Nevertheless, the chemically activated electrode provided the lowest resistance to charge transfer (Rp = 115 Ω). Physically activated electrodes need to be further studied because despite their capacitive nature (Rp = 1.45 kΩ), their OER results showed an inverse trend (η = 570 mV). |
Palavras-chave: | Eletrodos compósitos Ferrita de níquel Eletrocatalisador Reação de oxidação da água Impressão em 3D Eletrodos Catalisadores Ferritas Níquel Composite electrodes Nickel ferrite Electrocatalyst Water oxidation reaction 3D printing |
Área(s) do CNPq: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::COMPOSTOS ORGANO-METALICOS |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
Sigla da instituição: | UERJ |
Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Química |
Citação: | MARÇAL, Raphaela dos Santos. Desenvolvimento de eletrodos impressos em 3D para aplicação na Reação de Evolução de Oxigênio. 2024. 100 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2024. |
Tipo de acesso: | Acesso Restrito |
URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/22790 |
Data de defesa: | 5-Abr-2024 |
Aparece nas coleções: | Mestrado em Química |
Arquivos associados a este item:
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Dissertação - Raphaela dos Santos Marçal - 2024 - Completa.pdf | 15,69 MB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar | |
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