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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31980
Tipo: Tese
Título: Avaliação do uso de óxidos metálicos derivados de estruturas metal-orgânica (MOFs) como sensores eletroquímicos e eletrocatalisadores
Autor(es): Hortencio, Johnnys da Silva
Primeiro Orientador: Silva, Fauthon Fred da
Segundo Orientador: Lemos, Sherlan Guimarães
Resumo: Nos últimos anos, as MOFs (Metal-Organic Frameworks) têm se destacado devido à sua versatilidade estrutural e porosidade ajustável, o que nos forneceu uma perspectiva promissora em várias aplicações como armazenamento e separação de gases, liberação controlada de fármacos, sensoriamento e eletrocatálise. No entanto, uma melhora nas propriedades eletroquímicas das MOFs ainda é necessária para aprimorar seus atributos para satisfazer suas aplicações como sensores e eletrocatalisadores para células combustível e eletrólise da água. A divisão eletrocatalítica da água tem recebido ampla atenção devido à cinética lenta da reação e ao complexo processo de transferência de elétrons, a reação de evolução do oxigênio (OER) que ocorre no ânodo tornou-se um grande obstáculo. O melhor desempenho da OER é atribuído ao aprimoramento significativo nos locais ativos de superfície acessíveis e à diminuição na resistência à transferência de carga. A exploração de eletrocatalisadores eficientes, baratos e estáveis para a OER é de grande importância para a conversão e armazenamento de energia. Atualmente, os óxidos de metais de transição (TMOs) apresentam enorme potencial como matérias de eletrodos devido ao seu baixo custo, química redox e alta estabilidade química. Neste trabalho, é demonstrado um método de impregnação para sintetizar óxidos metálicos à base de Cu dopados com Mn e Ni como materiais de alta eficiência e baixa energia eletrocatalítica para a reação de evolução de oxigênio em condições alcalinas. Para síntese desses materiais utilizou-se sais de cobre (II), manganês (II) e níquel (II), água deionizada como solvente e ácido iminodiacético como ligante, denominados de [Cu(IDA)(H2O)2]n,(IDA=iminodiacetato),[Cu0,9Mn0,1(IDA)(H2O)2]n,[Cu 0,7Mn0,3(IDA)(H2O)2]n,[Cu0,5Mn0,5(IDA)(H2O)2]n,[Cu0,9Ni0,1(IDA)(H2O)2]n,[Cu0,7Ni0,3(IDA)(H2O)2]n e [Cu0,5Ni0,5(IDA)(H2O)2]n. Para a síntese dos óxidos metálicos, as MOFs supracitadas foram calcinadas sob atmosfera de ar atmosférico levando à formação dos eletrocatalisadores CuO, CuO/Cu2O/Mn-x e Cu1-xNixO (x=10, 30 e 50% n/n), respectivamente. Os materiais foram calcinados em seus aspectos estruturais e morfológicos e composicional. Os materiais à base de óxido de cobre foram aplicados como sensor eletroquímico e como eletrocatalisadores para OER em meio alcalino numa densidade de corrente de 10 mA cm-2. Os ensaios eletroquímicos utilizando eletrodos de pasta de carbono modificado com CuO e CuO/Cu2O/Mn50 foram realizados para avaliar o comportamento voltamétrico da sonda redox [Fe(CN)6]3-/4- (0,05M) em solução eletrolítica de KCl 0,1 mol L-1 utilizando voltametria cíclica (CV) e espectroscopia de impedância eletroquímicas (EIS), onde os picos anódicos e catódicos apresentaram uma definição. Todos os materiais apresentaram bons valores de sobrepotencial de 359, 355, 355, 360, 352, 346 e 340 mV a uma densidade de corrente de 10 mA cm-2. As inclinações de Tafel são 83,8, 75,4, 75,1, 90,6, 82,5, 47, 65, e 54 mV dec-1, respectivamente, com atenuação muito pequena para reação catalítica de longo prazo. Além disso, os eletrocatalisadores apresentaram estabilidade eletroquímica de curto prazo por 12h. Portanto, o presente método abre um novo caminho para a preparação de materiais eficientes e de baixo custo para aplicação em OER. A eletroanálise da dopamina (DA) em EPC modificado com CuO e CuO/Cu2O/Mn50 mostrou que a detecção de dopamina pode ser melhor alcançada em cerca de 0,35 V. O limite de detecção para o sensor EPC/CuO determinado via voltametria de pulso diferencial (DPV) foi de 1,45 μM ao longo de uma ampla faixa linear de 0,02 – 25 μM, no qual apresentou boa reprodutibilidade, embora tenha estabilidade relativamente baixa.
Abstract: In recent years, MOFs (Metal Organic Frameworks) have stood out due to their structural versatility and adjustable porosity, which has provided us with a promising perspective in various applications such as gas storage and separation, controlled drug rele ase, sensing and electrocatalysis. However, an improvement in the electrochemical properties of MOFs is still necessary to enhance their attributes to satisfy their applications as sensors and electrocatalysts for fuel cells and water electrolysis. Electro catalytic water splitting has received widespread attention due to the slow kinetics of the reaction and the complex electron transfer process, the oxygen evolution reaction (OER) occurring at the anode has become a major obstacle. The improved OER perform ance is attributed to the significant enhancement in accessible surface active sites and the decrease in charge transfer resistance. The exploration of efficient, cheap and stable electrocatalysts for OER is of great importance for energy conversion and st orage. Currently, transition metal oxides (TMOs) have enormous potential as electrode materials due to their low cost, redox chemistry and high chemical stability. In this work, an impregnation method is demonstrated to synthesize Cu based metal oxides dop ed with Mn and Ni as high efficiency, low energy electrocatalytic materials for the oxygen evolution reaction under alkaline conditions. For the synthesis of these materials, copper (II), manganese (II) and nickel (II) salts were used, deionized water as s olvent and iminodiacetic acid as ligand, called [Cu(IDA)(H 2 O) 2 n ,(IDA=iminodiacetate),[Cu 0.9 Mn 0.1 (IDA)(H 2 O) 2 n ,[Cu 0.7 Mn 0.3 (IDA)(H 2 O) 2 n ,[Cu 0 .5 Mn 0.5 (IDA)(H 2 O) 2 n ,[Cu 0.9 Ni 0.1 (IDA)(H 2 O) 2 n ,[Cu 0.7 Ni 0.3 (IDA)(H 2 O) 2 n and [Cu 0.5 Ni 0.5 (IDA)(H 2 O) 2 n . For the synthesis of metal oxides, the aforementioned MOFs were calcined under an atmosphere of atmospheric air, leading to the formation of the electrocatalysts CuO, CuO/Cu 2 O/Mn x and Cu 1 x Ni x O (x=10, 30 and 50% n/n), respectively. The materials were calcined in their structural, morphological and compositional aspects. Copper oxide based materials were applied as an electrochemical sensor and as electrocatalysts for OER in alkaline media at a current density of 10 mA cm 2 . Electrochemical tests using carbon paste electrodes modified with CuO and CuO/Cu 2 O/Mn50 were carried out to evaluate the voltammetric behavior of the redox probe [Fe( 6 3 --/4 (0.05M) in KCl electrolyte solution 0.1 mol L 1 using cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), where the anodic and cathodic peaks presented a definition. All materials showed good overpotential values of 359, 355, 355, 360, 352, 346 and 340 mV at a current density of 1 0 mA cm 2 . The Tafel slopes are 83.8, 75.4, 75.1, 90.6, 82.5, 47, 65, and 54 mV dec 1 , respectively, with very small attenuation for long term catalytic reaction. Furthermore, the electrocatalysts showed short term electrochemical stability for 12h. Theref ore, the present method opens a new avenue for the preparation of efficient and low cost materials for OER application. Electroanalysis of dopamine (DA) in EPC modified with CuO and CuO/Cu application. Electroanalysis of dopamine (DA) in EPC modified with CuO and CuO/Cu22O/Mn50 O/Mn50 showed that dopamine detection can best be achieved at around 0.35 V. The detection limit for the showed that dopamine detection can best be achieved at around 0.35 V. The detection limit for the EPC/CuO sensor determined via voltage voltammetry differential pulse (DPV) was 1.45 µM over a EPC/CuO sensor determined via voltage voltammetry differential pulse (DPV) was 1.45 μM over a wide linear range of 0.02 wide linear range of 0.02 –– 25 µM, in which it showed goo25 μM, in which it showed good reproducibility, although it had relatively d reproducibility, although it had relatively low stability.low stability.
Palavras-chave: Química inorgânica
Óxido de cobre
Eletrocatalisadores
Reação de evolução do oxigênio
Sensores eletroquímicos
Detecção de dopamina
Inorganic chemistry
MOFs
Copper oxide
Electrocatalysts
Oxygen Evolution Reaction (OER)
Electrochemical sensors
Dopamine detection
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Química
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31980
Data do documento: 20-Dez-2023
Aparece nas coleções:Centro de Ciências Exatas e da Natureza (CCEN) - Programa de Pós-Graduação em Química

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