Investigação da formação eletroquímica de nanotubos-TiO2 e sua aplicação em sistemas conversores de energia nanoarquiteturados

• Processo: 10/05555-2
• Linha de fomento: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Vigência (Início): 01 de dezembro de 2010
• Vigência (Término): 30 de novembro de 2013
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Ernesto Chaves Pereira de Souza
• Beneficiário: Renato Garcia de Freitas Sobrinho
• Instituição-sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
• Assunto(s): Eletroquímica Nanotubos Dióxido de titânio Dopagem anódica Eletro-oxidação

Resumo

A produção de dispositivos eletroquímicos nanoestruturados conversores de energia tem apresentado importantes resultados, devido as suas intrínsecas propriedades de baixa dimensionalidade. A natureza semicondutora dos nanotubos de TiO2 o torna um candidato promissor à eletrólise da água, dispositivos conversores de energia, fotocatálise e aplicações auto-limpantes. Neste sentido, este trabalho propõe-se a avaliar a formação eletroquímica de nanotubos de TiO2 (TiO2NT) e sua aplicação como eletrodos para oxidação de moléculas pequenas em células a combustível. A fabricação de TiO2NT foi primeiramente reportada por Zwilling et al. Em 1999 e a primeira geração sintetizada utilizando uma rota eletroquímica ficou limitada a nanotubos com pequeno comprimento, de até 600nm. A segunda geração de TiO2NT, na qual eletrólitos aquosos foram substituídos por meios orgânicos, levou a novas morfologias. Neste sentido, a utilização de glicerol propiciou a obtenção de TiO2NT com paredes de baixa rugosidade e comprimentos de aproximadamente 7,0¼m. Finalmente, na terceira geração de TiO2NT os materiais foram obtidos em líquidos iônicos e estes resultaram em TiO2NT com paredes duplas. Nanotubos de TiO2 apresentam como principais fases cristalinas uma mistura de fases rutilo e anatase. Diversos fatores influenciam na morfologia e microestrutura, tais como: pH e composição do eletrólito, concentração de F-, existência de fluxo convectivo na solução, estado inicial do metal a ser anodizado, temperatura de anodização, voltagem (no caso de anodização a potencial constante), teor de água no eletrólito, temperatura e atmosfera de tratamento térmico após a síntese eletroquímica. A eficiência foto-eletrocatalítica dos TiO2NT está associada à taxa de recombinação e-/h+ uma vez que a magnitude da fotocorrente está relacionada com a eficiência do transporte de e- através da base dos nanotubos, e h+ sobre a interface TiO2-eletrólito. Desta forma, nanotubos com paredes espessas apresentaram menores taxas de recombinação e-/h+ e, consequentemente, um aumento na atividade fotocatalítica. Além disso, TiO2NT com diâmetros maiores permitem uma melhor difusão de moléculas orgânicas pequenas (MOP), tais como metanol e etanol, no interior dos nanotubos para serem eletrooxidadas. Outra abordagem, já utilizada, foi a eletrodeposição de Pt dentro dos nanotubos a qual afeta significativamente a performance eletrocatalítica destes materiais. Neste sentido, um dos objetivos deste projeto é justamente compreender o efeito da nanopartículas metálicas como, por exemplo, a Pt e ligas PtRu, sobre o mecanismo de eletroxidação utilizando FTIR in situ eletroquímico. Esta técnica permite analisar os modos vibracionais das espécies em solução e/ou adsorvidas sobre a superfície do TiO2NT e identificar os intermediários e os produtos finais de reação. É claro que um conhecimento profundo das propriedades eletroquímica do eletrodo, considerando sua estrutura é também necessário para alcançar este objetivo. Por esta razão, um segundo objetivo deste projeto é utilizar a espectroscopia de impedância para estudar este comportamento. Como se trata de um eletrodo poroso, já está bem discutido na literatura a necessidade de descrever o sistema utilizando modelos de linhas de transmissão, as quais serão também utilizadas neste trabalho. As metodologias propostas, utilizando-se FTIR in situ eletroquímico e espectroscopia de impedância eletroquímica, foram pouco utilizadas na literatura. Desta forma, é proposta deste projeto contribuir para elucidação mecanística destes processos, os quais afetam diretamente os fenômenos relacionados à conversão de energia. (AU)

Publicações científicas

(13)

(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)

SILVA, C. D.; MORAIS, L. H.; GONCALVES, R.; MATOS, R.; SOUZA, G. L. C.; FREITAS, R. G.; PEREIRA, E. C. The methanol and CO electro-oxidation onto Pt-pc/Co/Pt metallic multilayer nanostructured electrodes: An experimental and theoretical approach. Electrochimica Acta, v. 280, p. 197-205, AUG 1 2018. Citações Web of Science: 2.

SANTANNA, M. A.; MENEZES, W. T.; SANTANA, Y. V. B.; FERRER, M. M.; GOUVEIA, A. F.; FACETO, A. D.; TEREZO, A. J.; OLIVEIRA, A. J. A.; LONGO, E.; FREITAS, R. G.; PEREIRA, E. C. The effect of TiO2 nanotube morphological engineering and ZnS quantum dots on the water splitting reaction: A theoretical and experimental study. INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, v. 43, n. 14, p. 6838-6850, APR 5 2018. Citações Web of Science: 3.

FREITAS, R. G.; LUCAS, F. W. S.; SANTANNA, M. A.; MENDES, R. A.; TEREZO, A. J.; DE SOUZA, G. L. C.; MASCARO, L. H.; PEREIRA, E. C. An experimental and theoretical study on the electronic and structural properties of CdSe@TiO2 nanotube arrays. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 18, n. 38, p. 26885-26893, OCT 14 2016. Citações Web of Science: 5.

NAGAO, RAPHAEL; FREITAS, RENATO G.; SILVA, CAMILA D.; VARELA, HAMILTON; PEREIRA, ERNESTO C. Oscillatory Electro-oxidation of Methanol on Nanoarchitectured Pt-pc/Rh/Pt Metallic Multilayer. ACS CATALYSIS, v. 5, n. 2, p. 1045-1052, FEB 2015. Citações Web of Science: 7.

FREITAS, R. G.; SANTANNA, M. A.; PEREIRA, E. C. Preparation and Characterization of TiO2 Nanotube Arrays in Ionic Liquid for Water Splitting. Electrochimica Acta, v. 136, p. 404-411, AUG 1 2014. Citações Web of Science: 22.

FREITAS, R. G.; SANTANNA, M. A.; PEREIRA, E. C. Dependence of TiO2 nanotube microstructural and electronic properties on water splitting. Journal of Power Sources, v. 251, p. 178-186, APR 1 2014. Citações Web of Science: 17.

FREITAS, R. G.; JUSTO, S. G.; PEREIRA, E. C. The influence of self-ordered TiO2 nanotubes microstructure towards Li+ intercalation. Journal of Power Sources, v. 243, p. 569-572, DEC 1 2013. Citações Web of Science: 7.

PEREIRA, R.; MARCHESI, L. F.; FREITAS, R. G.; MATOS, R.; PEREIRA, E. C. A low-cost platinum film deposited direct on glass substrate for electrochemical counter electrodes. Journal of Power Sources, v. 232, p. 254-257, JUN 15 2013. Citações Web of Science: 8.

FREITAS, R. G.; ANTUNES, E. P.; CHRISTENSEN, P. A.; PEREIRA, E. C. The influence of Ir and Pt1Ir1 structure in metallic multilayers nanoarchitectured electrodes towards ethylene glycol electro-oxidation. Journal of Power Sources, v. 214, p. 351-357, SEP 15 2012. Citações Web of Science: 6.

FREITAS, RENATO G.; PEREIRA, ERNESTO C.; CHRISTENSEN, PAUL A. The selective oxidation of ethanol to CO2 at Pt-pc/Ir/Pt metallic multilayer nanostructured electrodes. Electrochemistry Communications, v. 13, n. 10, p. 1147-1150, OCT 2011. Citações Web of Science: 15.

FREITAS, R. G.; MARCHESI, L. F. Q. P.; FORIM, M. R.; BULHOES, L. O. S.; PEREIRA, E. C.; SANTOS, M. C.; OLIVEIRA, R. T. S. Ethanol Electrooxidation using Ti/(RuO2)((x)) Pt(1-x) Electrodes Prepared by the Polymeric Precursor Method. Journal of the Brazilian Chemical Society, v. 22, n. 9, p. 1709-1717, SEP 2011. Citações Web of Science: 10.

FREITAS, RENATO GARCIA; BATISTA, EVELINE CRISTINE; CASTRO, MARCELA PORTES; OLIVEIRA, ROBSON T. S.; SANTOS, MAURO COELHO; PEREIRA, ERNESTO CHAVES. Ethanol Electrooxidation on Bi Submonolayers Deposited on a Pt Electrode. ELECTROCATALYSIS, v. 2, n. 3, p. 224-230, SEP 2011. Citações Web of Science: 4.

R. G FREITAS; L. F. Q. P MARCHESI; M. R FORIM; L. O. S BULHÕES; E. C PEREIRA; M. C SANTOS; R. T. S OLIVEIRA. Ethanol electrooxidation using Ti/(RuO2)(x) Pt(1-x) electrodes prepared by the polymeric precursor method. Journal of the Brazilian Chemical Society, v. 22, n. 9, p. -, Set. 2011.