Modificações superficiais em eletrocatalisadores de cobre: uma estratégia para aumentar a seletividade e a estabilidade para a eletro-redução de dióxido de carbono

• Processo: 21/13985-1
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de maio de 2022
• Data de Término da vigência: 08 de outubro de 2023
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Fabio Henrique Barros de Lima
• Beneficiário: Antonio Carlos Roveda Júnior
• Instituição Sede: Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Empresa: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP)
• Vinculado ao auxílio: 20/15230-5 - Centro de Pesquisa e Inovação de Gases de Efeito Estufa - RCG2I, AP.PCPE
• Assunto(s): Eletroquímica Eletrocatálise Eletrocatalisadores Cobre Energia renovável Dióxido de carbono Eficiência de Faraday
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: complexos de cobre | dióxido de carbono (CO2) | Eletrocatálise | eletro-redução de CO2 | energia renovável | Eletroquímica

Resumo

O consumo de combustíveis fósseis é a causa principal das mudanças climáticas, resultando em aquecimento global devido ao acúmulo de gases do efeito estufa na atmosfera, com destaque para o dióxido de carbono (CO2). A conversão de CO2 em combustíveis e matérias-primas à base de carbono permite o armazenamento de energia de forma renovável e contribui para a redução das emissões de gases de efeito estufa. Nesse contexto, a reação de redução eletroquímica de CO2 (RRECO2) apresenta uma abordagem bastante promissora, principalmente se a eletricidade requerida no processo catalítico for proveniente de fontes renováveis. Até o momento, os catalisadores de cobre (Cu) demonstraram a maior capacidade de produzir hidrocarbonetos e álcoois, como etileno e etanol, via RRECO2. Entretanto, muitos avanços ainda são necessários para o desenvolvimento de sistemas que permitam o aumento de escala de eletrocatalisadores que convertam CO2 em produtos multicarbono (C2+) e que tenham seletividade, estabilidade e alta eficiência faradaica. Uma estratégia neste sentido é o recobrimento dos eletrodos de Cu com espécies orgânicas. De forma geral, o recobrimento confere aumento nas eficiências faradaicas para produtos C2+ e a redução na geração de H2, além de um efeito de estabilização do catalisador em comparação aos respectivos eletrodos sem o recobrimento. Esses resultados estão associados, principalmente, à estabilização dos intermediários ligados à superfície do catalisador, à hidrofobicidade da camada de recobrimento e à estabilização dos átomos de cobre superficiais devido à coordenação com ligantes presentes na molécula modificadora. Além disso, o processo de recobrimento de eletrodos de Cu permite um aumento de escala de forma prática na preparação de eletrodos para RRECO2. Diante do exposto, o objetivo principal deste projeto é utilizar polímeros com grupos ligantes e conhecidamente estáveis nas condições da RRECO2, como o polibenzimidazol (PBI), para recobrimento de eletrodos de Cu bulk e de nanoestruturas de Cu para uso como eletrocatalisadores para a RRECO2. As nanoestruturas de Cu serão formadas a partir de polímeros de coordenação de Cu do tipo [Cu(L)2]n utilizando-se como ligantes (L), o imidazol e obenzimidazol. A redução eletroquímica desses polímeros de coordenação resultará na formação de nanoclusters de cobre com forma, tamanho e dispersão controladas, os quais serão estabilizados pelo recobrimento com o PBI. Com o recobrimento dos eletrocatalisadores de Cu bulk e das nanoestruturas de Cu, pretende-se estabilizar os sítio-ativos de cobre dos catalisadores durante as condições de operação, e, ao mesmo tempo, modular a seletividade e a eficiência faradaica para a formação de produtos C2+. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

V. FORTUNATO, GUILHERME; KRONKA, MATHEUS S.; CARDOSO, EDUARDO S. F.; DOS SANTOS, ALEXSANDRO J.; ROVEDA JR, ANTONIO C.; LIMA, FABIO H. B.; LEDENDECKER, MARC; MAIA, GILBERTO; LANZA, MARCOS R. V.. A comprehensive comparison of oxygen and nitrogen functionalities in carbon and their implications for the oxygen reduction reaction. JOURNAL OF CATALYSIS, v. 413, p. 14-pg., 2022-08-20. (14/50945-4, 17/23464-3, 19/20634-0, 19/22183-6, 17/10118-0, 19/04421-7, 21/13985-1)