Atividade e estabilidade de eletrocatalizadores de óxido de manganês estabilizados por ligantes orgânicos para a oxidação da água

• Processo: 21/00908-9
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Data de Início da vigência: 01 de março de 2021
• Data de Término da vigência: 28 de fevereiro de 2026
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Fabio Henrique Barros de Lima
• Beneficiário: Cássio Luis Pires Lucato
• Instituição Sede: Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 19/22183-6 - Electrocatálise VI: aspectos fundamentais e aplicados em problemas emergentes e clássicos em conversão eletroquímica de energia, AP.TEM
• Bolsa(s) vinculada(s): 24/08046-4 - Óxidos de manganês como catalisadores estáveis para oxidação da água e metanol para produção de hidrogênio, BE.EP.DD
• Assunto(s): Eletroquímica Eletrocatalisadores Óxido de manganês Ligantes orgânicos Eletro-oxidação Água Eletrólitos
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Biomiméticos | DEMs (differential electrochemical mass espectrometry) | Eletrocatalisadores | Eletro-oxidação da água | Estabilidade óxido de manganês | MOFs (metal-organic frameworks) | Eletroquímica

Resumo

O aumento na demanda energética, acompanhado do crescimento populacional, aumentou significativamente a interferência antrópica no ciclo biogeoquímico do carbono, criando um cenário de mudanças climáticas e riscos provenientes dessa. Logo, pesquisas em fontes de energia sustentáveis/divergentes das fósseis se destacaram, destacando-se o H2, que pode ser produzido a partir da redução de prótons provenientes da eletro-oxidação da água. Os melhores desempenhos em eletro-catálise de eletro-oxidação da água são de materiais baseados em metais nobres e escassos - como IrO2e RuO2-. Organismos fotossintéticos apresentam clusters de óxido de manganês (Mn4CaO5) com uma esfera de coordenação composta majoritariamente de resíduos de aminoácidos com grupos carboxílicos como cadeia lateral. Por sua vez, tais grupos agem tanto como indutores de transferência de próton acoplada a elétron (CPET) e como estabilizadores de manganês com alto número de oxidação. Ainda, tais compósitos são chave na reação de oxidação da água com sobre-potencial de 160 mV em pH fisiológico. Tais aspectos despertam o interesse no desenvolvimento de eletrocatalisadores miméticos; ou seja, à base de manganês com esfera de coordenação com moléculas similares ao sistema natural. Dado o biomimetismo como inspiração, esse projeto propõe a síntese, caracterização e investigação da atividade eletrocatalítica de óxido de manganês em combinação com moléculas orgânicas, formando diferentes estruturas como, por exemplo: (1) nanopartículas de óxido de manganês modificadas superficialmente com moléculas com grupos carboxílicos (ex: benzoatos) e; (2) Metal Organic Frameworks (MOF) com manganês e ligantes orgânicos (ex: teraftalatos). O objetivo é investigar a influência das moléculas ligantes na atividade e estabilidade do óxido de manganês durante a eletro-oxidação da água, principalmente em eletrólitos neutros e ácidos. Os eletrocatalisadores serão sintetizadas por rotas já definidas na literatura e caraterizados por diferentes técnicas - incluindo espectroscópicas, espectrométricas e de microscopia eletrônica. As medidas eletroquímicas e as eficiências faradaicas para a formação de oxigênio molecular serão investigadas em experimentos online de Differential Electrochemical Mass Spectroscopy (DEMS) e in-line por Gaschromatography (GC) em células eletroquímicas. (AU)