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Caracterização in situ da reação de redução de oxigênio sob materiais baseados no carbono por Espectroscopia Raman amplificada por nano-partículas isoladas pela casca

Processo: 19/04484-9
Linha de fomento:Bolsas no Exterior - Pesquisa
Vigência (Início): 12 de setembro de 2019
Vigência (Término): 19 de novembro de 2019
Área do conhecimento:Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
Pesquisador responsável:Ana Maria Gomez Marin
Beneficiário:Ana Maria Gomez Marin
Anfitrião: Laurence Hardwick
Instituição-sede: Divisão de Ciências Fundamentais (IEF). Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Ministério da Defesa (Brasil). São José dos Campos , SP, Brasil
Local de pesquisa : University of Liverpool, Inglaterra  
Assunto(s):Espectroscopia Raman amplificada por superfície   Eletroquímica

Resumo

Elucidar o mecanismo da reação de redução de oxigênio (RRO), o processo catodico das células a combustível e baterias metal-ar, é essencial para o desenho de sistemas sustentáveis acessivel para conversão/armazenamento de energia. Apesar de mais de 60 anos de pesquisa, os processos de superfície no eletrodo durante a RRO não são bem conhecidos, sendo este umo dos problemas para a comercialização massiva desses dispositivos, e uma das principais razões do pequenho sucesso no desenvolvemento de catalisadores mais ativos que a platina, o metal puro mais ativo. Infelizmente, falta uma descrição detalhada dos fenômenos que governam esses sistemas em um nível molecular, e investigações experimentais e teóricas a partir de vários ângulos, especialmente empregando técnicas in situ/operando, são necessárias.Nas últimas décadas, os materiais de carbono, como grafite, carbono vítreo, grafeno, têm atraído muita atenção não apenas como catalisadores ou suportes de catalisador econômicos frente a ORR, mas também para o desenvolvimento de capacitores eletroquímicos, devido ao baixo custo boa condutividade, alta estabilidade mecânica e química e alta área superficial. Os materiais de carbono são o suporte mais comum para nanopartículas de Pt (NPs) e o principal componente dos eletrocatalisadores para a ORR de metais não-preciosos. No entanto, é bastante desafiante atribuir mudanças na microestrutura ou na composição química superficial do carbono a uma modificação específica no desempenho geral do eletrodo, informação essencial para o desenvolvimento de novos materiais e arquiteturas de eletrodos. Assim, elucidar a relação estrutura - composição química - desempenho do carbono é um passo essencial para o desenho de sistemas de conversão/armazenamento de energia a preços acessíveis.Uma dos maiores desafios para empregar a espectroscopia vibracional in situ/operando na interface é aumentar os limites de detecção para identificar mudanças químicas na proximidade de um eletrodo, sem distorcer a resposta eletroquímica. Aplicações espectroscópicas baseadas na ressonância de superfície plasmonica, tais como a espectroscopia Raman amplificada pela superfície (SERS), e a metodologia derivada com NPs isoladas pela casca, SHINERS, tentam resolver o problema pelo uso de materiais nanoestruturados para melhorar o sinal espectroscópica. A aplicação dessas técnicas confirmou a formação de radicais superóxido e hidroperoxilo adsorvidos como intermédios da RRO em várias superfícies, em base e ácido, respectivamente, mas ainda há muitas questões em aberto sobre os detalhes moleculares dessa reação. Essa informação é crucial para uma compreensão abrangente do mecanismo da RRO, que, por sua vez, guie o desenvolvimento de novos eletrocatalisadores para aplicações práticas. Em SHINERS, NPs ativas para SERS com casca dielétrica inerte, como Au@SiO2, são empregados como elementos amplificadores, e espalhados sobre uma superfície de qualquer material e morfologia. Essa flexibilidade faz de SHINERS uma metodologia avançada, in situ/operando, promissora para auxiliar na caracterização e desenho de interfaces eletroquímicas. Assim, três objetivos principais são perseguidos com a realização do estagio de pesquisa proposto:i) Caracterizar a interface eletroquímica de materiais baseados no carbono, como o carbono vítreo, durante o RRO empregando SHINERS, como tentativa de elucidar em escala molecular a relação entre a atividade frente a RRO - composição química - estrutura do carbonoii) Adquirir competências experimentais em SHINERS para implementar essa metodologia no Laboratório de Eletroquímica do Departamento de Química do Instituto de Tecnologia da Aeronáuticaiii) Estabelecer uma colaboração internacional de pesquisa com o Prof. Dr. Laurence J. Hardwick, Diretor do Instituto Stephenson de Energia Renovável da Universidade de Liverpool (Inglaterra), base para futuras colaborações que possam se evidencear em publicações conjuntas e intercâmbio de estudantes.