Atividade e estabilidade de eletrocatalisadores tipo Fe-N-C para a reação de redução de oxigênio

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Vasconcellos, Carlos Sant'Ana
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: cátodo de células a combustível; earth- abundant; elementos abundantes; eletrocatalisadores Fe-N-C; Fe-N-C electrocatalysts; fuel cell cathode; oxygen reduction reaction; reação de redução de oxigênio
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75134/tde-04052021-143251/

Eletrocatalisadores do tipo M-N-C, por serem formados por elementos abundantes, são promissores substitutos aos metais nobres para a reação de redução de oxigênio (ORR). Porém, a estabilização desses materiais, principalmente em eletrólitos ácidos, é um grande obstáculo, devido, principalmente, à demetalação induzida pela corrosão do carbono por H2O2, um intermediário indesejável da ORR. Neste trabalho, foram sintetizados eletrocatalisadores tipo Fe-N-C e investigadas as atividades e estabilidades para a ORR em meio ácido em função de diferentes parâmetros: (i) razão N/Fe nos precursores da síntese, (ii) teor de Fe, (iii) grau de dopagem com nitrogênio, (iv) área do suporte de carbono, (v) temperatura de pirólise e (vi) adição de platina como catalisador heterogêneo para a decomposição e/ou eletrorredução de H2O2. Os resultados mostraram maiores atividades para eletrocatalisadores sintetizados com maiores razões N/Fe que, combinado ao carbono de alta área (Black Pearls) permitem maior dispersão do ferro, formando sítios single atom (Fe-N4). A adição de imidazol e/ou tratamento em amônia levou a um acréscimo da atividade para a ORR, associado ao aumento da dopagem com N, favorecendo a formação de sítios Fe-N4. As pirólises em 700 e 1050 °C resultaram em materiais com as mais altas atividades, sem diferença na estabilidade em meia-célula, mas com maior estabilidade em testes de Shelf-life para o material tratado em 1050 °C, o que foi associado à grafitização do carbono (maior estabilidade química). A adição de nanopartículas de platina ao Fe-N-C, como \"peroxide scavenger\", mostrou aparente estabilização das curvas de polarização, tanto em meia célula, como em célula unitária, e em função do tempo de operação. No entanto, isso foi atribuído à crescente exposição/ativação da superfície de Pt, ao invés do efeito scavenger. A incorporação de platina na forma de sub-nano clusters (4 wt.% Pt-N-C), embora ativos para a eletrorredução de H2O2, não apresentou efeito estabilizador na atividade da ORR para Fe-N-C (platina atomicamente dispersa (1 wt.% Pt-N-C) não apresentou atividade para a eletrorredução de H2O2). No entanto, testes adicionais devem ser conduzidos para investigar um possível efeito de estabilização em longos tempos de operação.