Avaliação do uso de óxidos metálicos derivados de estruturas metal-orgânica (MOFs) como sensores eletroquímicos e eletrocatalisadores

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Hortencio, Johnnys da Silva
• Orientador(a): Silva, Fauthon Fred da , Lemos, Sherlan Guimarães
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal da Paraíba
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Química
• Departamento: Química
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: 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
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
• Link de acesso: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/31980

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.