CATALISADORES BIFUNCIONAIS PREPARADOS A PARTIR DE RESÍDUOS URBANOS PARA APLICAÇÕES EM BATERIAS METAL-AR

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Físico-Química

Autores

Silva Fonseca, W. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO-UFMA) ; Castro Pontes, L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO-UFMA) ; Atsushi Tanaka, A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO-UFMA)

Resumo

A demanda da sociedade pela conservação dos recursos naturais e por tecnologias sustentáveis levou a um crescente esforço por parte da indústria e de pesquisadores para o desenvolvimento da próxima geração de sistemas de armazenamento de energia. Neste cenário, células a combustível e baterias metal-ar cumprem todos os requisitos ambientais e energéticos, mas limitados pelo alto custo dos catalisadores comerciais à base de platina, para aplicações em larga escala, e a necessidade de desenvolver novos catalisadores eficientes e estáveis. Este trabalho apresenta um estudo da preparação de um catalisador à base de níquel e de cobalto com alta atividade eletrocatalítica bifuncional, a partir de resíduos de matéria orgânica (cabelo humano) por meio de conversão hidrotermal.

Palavras chaves

Catalisador bifuncional; Baterias metal-ar; Resíduos urbanos

Introdução

A crescente demanda por fontes alternativas de energia tem demandado muitos esforços para o desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia mais eficientes e capazes de promover autonomia e segurança para sistemas tracionários, como veículos elétricos. Neste contexto, as baterias metal-ar destacam-se (SEO et al., 2018), com a reação de redução do oxigênio (ORR) ocorrendo no processo de descarga e a reação de evolução do oxigênio (OER) durante a carga. Todavia, um problema comumente encontrado é a falta de catalisadores que sejam capazes de catalisar ambas as reações, ou seja, de materiais denominados catalisadores bifuncionais. Atualmente, calcogenetos de metais de transição e materiais dopados com nitrogênio (N), fósforo (P) e enxofre (S) têm se destacados por apresentarem atividade catalítica superior aos convencionais eletrodos à base de metais nobres (FU et al., 2017). Por outro lado, o crescimento dos problemas ambientais causados por resíduos orgânicos e outros resíduos sólidos urbanos têm acarretado grandes impactos ambientais. Muitos destes resíduos orgânicos, como penas de galinhas e cabelo humano, possuem potencial para serem convertidos em materiais de alto valor agregado, por serem materiais ricos em N, S e O e que podem ser utilizados como doadores em reações de síntese (PAN et al., 2016). Desta forma, para sínteses sustentáveis de materiais com alta atividade eletrocatalítica bifuncional para aplicações em baterias metal-ar, este trabalho apresenta os resultados de um estudo da preparação de um catalisador bifuncional à base de níquel e de cobalto baterias metal-ar por meio da conversão hidrotérmica de resíduos de matéria orgânica (cabelo humano).

Material e métodos

Inicialmente, uma amostra de cabelo humano, cedida por um dos autores (W. S.F.) deste trabalho, foi lavada por 2 horas em isopropanol e água deionizada, para remoção de possíveis impurezas, e secada em uma estufa aquecida a 70 °C por 24 horas. Em seguida, a amostra foi adicionada a uma solução aquosa contendo cloreto de cobalto, cloreto de níquel e etilenoglicol. Após 1 hora de agitação, a mistura foi transferida para um reator autoclave de aço inoxidável, com revestimento de Teflon®, que foi mantido selado por 24 horas a uma temperatura de 200 oC. Após a reação hidrotermal e resfriamento, o sólido resultante foi separado por filtração a vácuo e o catalisador foi coletado. Micrografias do catalisador foram obtidas num microscópio eletrônico de varredura modelo TM3030 da Hitachi e a análise elementar por medidas num espectrômetro para microanálise elementar (EDS) IXRF Systems 500 Digital Processing. As medidas eletroquímicas foram realizadas com o auxílio de um bipotenciostato modelo AFCBP1 da Pine Instrument Company e utilizando um eletrodo de carbono vítreo modificado com o catalisador como eletrodo de trabalho e uma placa de platina e um eletrodo de referência Ag/AgCl como eletrodos auxiliar e de referência, respectivamente. Para a modificação do eletrodo de carbono vítreo com o catalisador utilizou-se uma solução de Nafion® 5 wt% (Sigma-Aldrich) e evaporação do solvente para a formação de um filme fino.

Resultado e discussão

A Figura 1 mostra as caracterizações do catalisador por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de raios-X por dispersão em energia (EDX ou EDS), sendo possível confirmar através da técnica EDS a presença de dois compostos bimetálicos de estrutura NiCo2(X)4, sendo um destes compostos o NiCo2S4 produzido através da substituição dos ânions na estrutura do precursor por enxôfre (“efeito Kirkendall”) e gerando um sulfeto bimetálico ancorado em uma estrutura de hidróxidos (CAI et al. 2015). A microscopia indicou a formação de uma estrutura cristalina do material do tipo “ouriço”, uma estrutura formada por agulhas que se originam de microesferas (CHEN et al. 2013). Uma comparação da atividade eletrocatalítica do catalisador obtido (NiCo2S4) foi comparada com a do catalisador comercial 20 % de platina disperso sobre o carbono Vulcan XC-72 é mostrada na Figura 2, onde os potenciais da reação de redução de oxigênio (ORR), situados no lado esquerdo, e da reação de evolução do oxigênio (OER), situados no lado direito, podem ser claramente identificados. O desempenho eletroquímico do catalisador se assemelha com a dos calcogenetos de níquel e de cobalto, caracterizado por baixos potenciais de evolução e atividade satisfatória para a redução (LIU et al., 2018). Além disso, pode-se também observar um baixo intervalo de potencial evolução- redução, da ordem de ~67 mV, quando comparado o do catalisador comercial de Pt/C, que foi de ~85 mV, muito provavelmente devido ao fato do catalisador Pt/C ser mais eficiente para reações de redução e apresentando instabilidade quando submetido a potenciais de evolução (WANG et al., 2016).

Caracterizações físicas do catalisador obtido: a) EDS (NiCo2S4) e b) MEV demonstrando estruturas do tipo "ouriço".


Curvas de polarização OER/ORR para o catalisador obtido( NiCo2S4) e o catalisador comercial Pt/C 20%.

Conclusões

Os resultados deste trabalho mostraram a preparação de um sulfeto bimetálico por meio da conversão hidrotérmica de matéria orgânica na presença de sais de níquel e cobalto, caracterizado como um sulfeto de níquel e de cobalto com estrutura do tipo “ouriço” e com atividade bifuncional para as reações fundamentais de uma bateria metal-ar.

Agradecimentos

Os autores agradecem os apoios financeiros recebidos da FAPEMA, do CNPq e da CAPES para a realização deste trabalho.

Referências

CAI, D; WANG, D.; WANG, C.; LIU, B.; WANG, L.; LIU; Y.; LI, Q. Construction of desirable NiCo2S4 nanotube arrays on nickel foam substrate for pseudocapacitors with enhanced performance. Electrochimica Acta, v. 151, p. 35-41, 2015.

CHEN, H.; JIANG, J.; ZHANG, L; WAN, H.; QI, T.; XIA, D. Highly conductive NiCo 2 S 4 urchin-like nanostructures for high-rate pseudocapacitors. Nanoscale, v. 5, n. 19, p. 8879-8883, 2013.

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LIU, W.; ZHANG, J.; BAI, Z.; JIANG, G.; LI, M.; Controllable Urchin‐Like NiCo2S4 Microsphere Synergized with Sulfur‐Doped Graphene as Bifunctional Catalyst for Superior Rechargeable Zn–Air Battery. Advanced Functional Materials, v. 28, n. 11, p. 1706675, 2018

PAN, F.; DUAN, Y.; ZHANG, X.; ZHANG, J.A facile synthesis of nitrogen/sulfur co‐doped graphene for the oxygen reduction reaction. CheCatChem, v. 8, n. 1, p. 163-170, 2016.

SEO, M. H.; PARK, M.G.; LEE, D.; WANG, X.; AHN, W. et al. Bifunctionally Active and Durable Hierarchically Porous Transition Metal-based Hybrid Electrocatalyst for Rechargeable Metal-Air Batteries. Applied Catalysis B: Environmental, 2018.

WANG, M.; LAI, Y.; FANG, J.; QIN, F.; ZHANG, Z.; LI, J. Hydrangea-like NiCo2S4 hollow microspheres as an advanced bifunctional electrocatalyst for aqueous metal/air batteries. Catalysis Science & Technology, v. 6, n. 2, p. 434-437, 2016.