Eletrorredução de Dióxido de Carbono em Cobre Modificado por Moléculas Derivadas do Imidazol: Investigação da Atividade e Estabilidade em Eletrolisadores Unitários

• Processo: 24/22351-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de julho de 2025
• Data de Término da vigência: 30 de junho de 2027
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Fabio Henrique Barros de Lima
• Beneficiário: Lucas Destefani Paquini
• 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
• Assunto(s): Eletroquímica
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Eletrocatalisadores de Cobre | Eletrolisadores Unitários | Eletroquímica | Eletrorredução de CO2 | Imidazol | Membrane electrode assembly | Eletroquímica

Resumo

A conversão eletrocatalítica de CO2 (RECO2) em produtos de maior valor agregado para a indústria desponta como uma alternativa essencial para um cenário sustentável, quando alimentada por eletricidade proveniente de fontes "verdes". A formação seletiva de produtos com múltiplos carbonos (C2+) tem ganhado um interesse significativo tanto em escala laboratorial quanto industrial, uma vez que a demanda por combustíveis de maior densidade energética e, para este caso, até o momento, somente eletrocatlaisadores baseados em Cu são capazes de formar hidrocarbonetos e álcoois No entanto, diversos fatores implicam em seu uso direto na RECO2 como, por exemplo, elevado sobrepotencial, baixa seletividade e eficiências faradaicas em decorrência de reações paralelas, como a Reação de Desprendimento de Hidrogênio (RDH) e, principalmente, a baixa estabilidade, devido, principalmente ao comportamento estrutural dinâmico do cobre. Nesse sentido, duas diferentes estratégias têm sido aplicadas para este problema: (i) indução do comportamento dinâmico, mas de maneira controlada, utilizando ligantes orgânicos e estáveis, que permitam a coordenação de íons cobre e a formação in situ de nanopartículas metálicas e; (ii) inibição do comportamento dinâmico por meio do recobrimento, por adsorção química, de moléculas ou polímeros, o que leva à estabilização dos átomos de cobre da superfície. Para o item (ii), destacam-se o Imidazol (I), Benzimidazol (BI) e Polibenzimidazol (PBI), devido à alta estabilidade dessas espécies nas condições da RECO2. Grupos imidazólicos atuam como sítios básicos com diferentes funções: contribuem para a formação de complexos ou coordenação, mantendo a estabilidade do cobre, alteram a estrutura eletrônica deste metal e facilitam a hidrogenação de intermediários da RECO2, favorecendo a formação de produtos C2+. Com base no exposto acima, o presente projeto de pesquisa tem como objetivo estudar a Redução Eletroquímica de CO2 (RECO2) em eletrocatalisadores de cobre (Cu) modificados com moléculas contendo grupos imidazólicos, como o Polibenzimidazol (PBI), utilizando células unitárias operando em condições práticas (anólito ácido e eletrólito com membrana em estado sólido). No cátodo, a RECO2 será conduzida em eletrocatalisadores nanoestruturados à base de cobre-molécula contendo imidazol (como Cu-PBI), provenientes do recobrimento de nanopartículas de cobre e da redução de polímeros de coordenação de Cu (II) com ligantes com grupo imidazólicos e benzimidazólicos. No ânodo, a Reação de Desprendimento de Oxigênio (RDO) será conduzida em eletrodos tipo Ânodo Dimensionalmente Estável (composto por Irídio, Estanho e Tântalo). Diversos parâmetros de operação serão investigados como, por exemplo, a influência da corrente aplicada, a concentração do anólito e a avaliação da atividade e eficiência faradaica produtos de reação. Técnicas como cromatografia em fase gasosa (CG), cromatografia liquida de alta eficiência (HPLC) e espectrometria de massas (MS) serão utilizadas para a determinação dos produtos, enquanto os eletrodos serão caraterizados estruturalmente e eletroquimicamente. Em complementariedade, técnicas in situ como, por exemplo, a Espectroscopia Raman e de Absorção de Raios X (XAS) fornecerão subsídios para compreender a formação de intermediários (Raman) e mudanças de características eletrônicas e estruturais do eletrocatalisador antes, durante e após a eletrólise. O objetivo final será a elucidação das condições ótimas de operação para a célula unitária com eletrólito sólido, com ênfase na maximização da formação de produtos C2+ de alto valor agregado.