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Desenvolvimento de catalisadores a base de fosfetos metálico para eletroredução seletiva e eficiente de CO2

Processo: 23/10268-2
Modalidade de apoio:Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado
Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2023
Data de Término da vigência: 31 de outubro de 2024
Área de conhecimento:Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
Pesquisador responsável:Lucia Helena Mascaro Sales
Beneficiário:Gelson Tiago dos Santos Tavares da Silva
Supervisor: Cao Thang Dinh
Instituição Sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
Instituição Anfitriã: Queen's University, Canadá  
Vinculado à bolsa:22/10255-5 - Arquiteturas baseadas em fosfetos e nitretos metálicos para conversão foto(eletro)química de CO2 em compostos C2+, BP.PD
Assunto(s):Eletroquímica   Dióxido de carbono   Eletrolisador   Energia renovável   Produtos químicos
Palavra(s)-Chave do Pesquisador:CO2 conversion | electrolyzer | Net-zero emission | Phosphide catalysts | Renewable fuels and chemicals | Eletroquímica

Resumo

A redução eletrocatalítica do dióxido de carbono (CO2) em moléculas orgânicas (C2+) oferece uma alternativa promissora para lidar com as mudanças climáticas e facilitar a produção de energia sustentável e produtos químicos. Apesar das pesquisas relacionadas a redução eletroquímica remontarem do final de 1960, ainda há desafios tecnológicos e fundamentais a serem enfrentados nesse campo. Esses desafios incluem o aprimoramento da atividade eletrocatalítica, a redução do sobrepotencial e o controle da seletividade dos compostos produzidos, todos diretamente influenciados pela natureza do catalisador e pelas condições da reação. Em estudos recentes, uma nova classe de compostos conhecidos como fosfetos metálicos (FM) tem atraído a atenção para reações eletroquímicas de conversão de CO2. Esses compostos são considerados alternativas aos metais nobres para reações de evolução de hidrogênio (REH), reação competitiva à reação de redução de CO2 (CO2RR). No entanto, descobertas recentes indicam que a incorporação de átomos de fósforo a rede cristalina de metais de transição pode induzir a formação de ligações insaturadas na superfície do material, favorecendo assim a dimerização de moléculas de CO2. Estudos eletroquímicos mostraram que os fosfetos metálicos apresentam alta condutividade e resistência química em uma ampla faixa de pH, demonstrando sua versatilidade em trabalhar em condições neutras e alcalinas. Embora promissores, há poucos relatos sobre a aplicação de fosfetos metálicos para CO2RR na produção de produtos com alto valor agregado. Isso ressalta a necessidade de avançar em nossa compreensão do potencial eletrocatalítico desses materiais e elucidar a função do fósforo no processo. Este estudo pretende preencher essas lacunas de conhecimento investigando o potencial eletrocatalítico do fosfeto de níquel (NiPx) e do fosfeto de cobre (CuPx) em um sistema eletroquímico de fluxo e de alta corrente. O supervisor proposto, Prof. Dr. Cao Thang Dihn, possui experiência em engenharia de células eletroquímicas e avaliação de processos, o que torna sua supervisão crucial para o sucesso desse projeto. Ao validar o potencial catalítico desses materiais em condições extremas, podemos expandir a gama de catalisadores ativos para transformar CO2 em compostos de valor agregado, trabalhando assim para alcançar emissões líquidas zero, uma meta alinhada com o 13º Objetivo de Desenvolvimento Sustentável estabelecido pelas Nações Unidas. A execução bem-sucedida desse projeto estará intimamente ligada ao processo FAPESP mencionado anteriormente, que fornece recursos para o desenvolvimento de materiais funcionais e sistemas eletroquímicos eficazes. Os catalisadores serão sintetizados usando métodos de precipitação seguidos de fosfatização térmica, e serão aplicados em um sistema de fluxo eletroquímico com potenciais e taxas de fluxo variáveis para otimizar a configuração. Técnicas avançadas de caracterização, incluindo XPS e FTIR, serão empregadas para estudar a cinética de formação de produtos, enquanto NMR/HPLC e GC serão usados para quantificar os compostos gerados. (AU)

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Publicações científicas (8)
(As publicações científicas contidas nesta página são originárias da Web of Science ou da SciELO, cujos autores mencionaram números dos processos FAPESP concedidos a Pesquisadores Responsáveis e Beneficiários, sejam ou não autores das publicações. Sua coleta é automática e realizada diretamente naquelas bases bibliométricas)
OBASANJO, CORNELIUS A.; DA SILVA, GELSON T. S. T.; MARIN, FATIMA GONZALEZ; MASCARO, LUCIA H.; DINH, CAO-THANG. Steering the Selectivity of Electrochemical CO2 Reduction on the Cu Catalyst via the Interplay between the Electrode Morphology and Electrolyte Anion Identity. ACS CATALYSIS, v. 15, n. 7, p. 12-pg., . (21/12394-0, 22/10255-5, 23/10268-2, 13/07296-2)
DE ALMEIDA, JESSICA C.; LOPES, OSMANDO F.; SHVIRO, MEITAL; DA SILVA, GELSON T. S. T.; RIBEIRO, CAUE; DE MENDONCA, VAGNER R.. Exploring the stability and catalytic activity of monoethanolamine functionalized CuO electrode in electrochemical CO2 reduction. NANOSCALE, v. 16, n. 39, p. 13-pg., . (18/01258-5, 13/07296-2, 23/10268-2, 22/10255-5, 22/01787-3)
DIAS, EDUARDO HENRIQUE; DA SILVA, GELSON TIAGO DOS SANTOS TAVARES; DINH, CAO-THANG; DINH, KHAC HUY; MASCARO, LUCIA HELENA; RIBEIRO, CAUE. High Dispersion of Copper Nanoparticles on Carbon Black in Minimal Loadings Enhances the Electroreduction of CO2 to CO. CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL, v. 31, n. 42, p. 8-pg., . (23/10268-2, 13/07296-2, 22/10255-5, 22/16560-4, 17/11986-5, 18/01258-5, 19/10689-2)
KHIARAK, BEHNAM NOURMOHAMMADI; DA SILVA, GELSON T. S. T.; GRANGE, VALENTINE; GAO, GUORUI; GOLOVANOVA, VIKTORIA; DE ARQUER, F. PELAYO DE GARCIA; MASCARO, LUCIA H.; DINH, CAO-THANG. Macro- and Nano-Porous Ag Electrodes Enable Selective and Stable Aqueous CO2 Reduction. SMALL, v. 21, n. 8, p. 10-pg., . (23/10268-2, 21/12394-0, 13/07296-2, 22/10255-5)
GAO, GUORUI; KHIARAK, BEHNAM NOURMOHAMMADI; LIU, HENGZHOU; TRAN-PHU, THANH; OBASANJO, CORNELIUS A.; CRANE, JACKSON; LAI, HUNG D. T.; DA SILVA, GELSON T. S. T.; GOLOVANOVA, VIKTORIA; LI, JIANTAO; et al. Recoverable operation strategy for selective and stable electrochemical carbon dioxide reduction to methane. NATURE ENERGY, v. N/A, p. 11-pg., . (13/07296-2, 23/10268-2)
KHIARAK, BEHNAM NOURMOHAMMADI; DA SILVA, GELSON T. S. T.; LAI, HUNG D. T.; ESMAEILI, HOSSEIN; NGUYEN, ANH N.; DINH, KHAC-HUY; ZHANG, QIAN; MASCARO, LUCIA H.; DINH, CAO-THANG. Integrated Carbon Dioxide Capture and Electrochemical Conversion: Chemistry, Electrode and Electrolyzer Design, and Economic Viability. ADVANCED ENERGY MATERIALS, v. N/A, p. 39-pg., . (21/12394-0, 13/07296-2, 23/10268-2, 22/10255-5)
MARQUES E SILVA, RICARDO; DIAS, EDUARDO HENRIQUE; DA SILVA, MARCOS AUGUSTO RIBEIRO; MITSUYUKI, MILENE CORSO; DE OLIVEIRA, JESSICA ARIANE; DA SILVA, GELSON TIAGO DOS SANTOS TAVARES; DA CRUZ, JEAN CASTRO; RIBEIRO, CAUE. A meta-analysis approach to reveal the consensual points in the development of materials for photocatalytic methane reform to methanol. CATALYSIS SCIENCE & TECHNOLOGY, v. N/A, p. 14-pg., . (21/13271-9, 18/01258-5, 22/10255-5, 22/16560-4, 17/11986-5, 23/10268-2, 19/21496-0, 19/10689-2)
KHIARAK, BEHNAM NOURMOHAMMADI; DA SILVA, GELSON T. S. T.; CRANE, JACKSON; O'BRIEN, COLIN P.; PEPE, MICHAEL R.; GABARDO, CHRISTINE M.; GOLOVANOVA, VIKTORIA; DE ARQUER, F. PELAYO GARCIA; DINH, CAO-THANG. Selective Electrochemical Production of Ethylene from Bicarbonate Solution. ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION, v. N/A, p. 10-pg., . (23/10268-2, 13/07296-2)