Síntese, caracterização físico-química e avaliação de titanoniobatos de metais de transição na produção eficiente de hidrogênio a partir de NaBH4
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Anderson Días
Ruben Darío Sinisterra Millán
Ruben Darío Sinisterra Millán
Resumo
A utilização excessiva de combustíveis fósseis aumentou a poluição ambiental através das emissões de gases de efeito de estufa. Consequentemente, o interesse por alternativas energéticas sustentáveis está em aumento. O hidrogênio surgiu como uma opção promissora, mas a sua baixa densidade e ponto de ebulição tornam a sua manipulação problemática, especialmente para o armazenamento e transporte. Os materiais de armazenamento de H2, como o borohidreto de sódio (NaBH4), tornaram-se uma alternativa para a evolução do H2 devido à sua disponibilidade comercial e à sua elevada capacidade de armazenamento. Na presente investigação, foram preparados nanocompósitos na forma [M(bpy)n(TiNbO5)2٠XH2O], onde M
pode ser Mn (II), Cu (II), Co (II) ou Ru (II), utilizados como suportes para nanopartículas de platina (NPs Pt). Os materiais sintetizados foram caracterizados mediante espectroscopia de DRX, FTIR, Raman, espectroscopia de reflectância difusa UV-Vis, análise termogravimétrica, potencial Zeta, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por dispersão de elétrons (EDS) e microscopia de transmissão (MET). Foram realizados testes preliminares de evolução de H2 usando NaBH4 com todos os materiais sintetizados sem e com NPs Pt. O NPs Pt/CoTiNb apresentou o melhor resultado de taxa de geração de H2 (HGR) com um valor de 22009 mL min-1 g-1. Também foi estudada a cinética de hidrólise do NaBH4 usando NPs Pt/CoTiNb variando parâmetros, como: a concentração das NPs Pt, a concentração de NaBH4 e o efeito da concentração de NaOH. A Energia de ativação (Ea) foi calculada segundo a equação de Arrhenius. Resultando 35, 27 kJ mol-1. A durabilidade do NPs/CoTiNb foi avaliada, obtendo-se um aumento no HGR de 53,98% até ao terceiro ciclo e, após dez ciclos, o catalisador reteve 61% do seu HGR inicial. Também foi identificado o estado de desenvolvimento dos titanoniobatos no campo de produção de H2, assim como seu uso no desenvolvimento de baterias de lítio, na fotocatálise e eletrocatálise a partir de uma análise bibliométrica e patentométrica, utilizando o indicador de série temporal, de mercados de proteção, de depositantes de patentes e de áreas técnicas.
Abstract
The excessive use of fossil fuels has increased environmental pollution through greenhouse gas emissions. As a result, interest in sustainable energy alternatives is growing. Hydrogen has emerged as a promising option, but its low density and boiling point make handling problematic, especially for storage and transportation. H2 storage materials, such as sodium borohydride (NaBH4), have become an alternative for H2 evolution due to their commercial availability and high H2 storage capacity. In the present investigation, nanocomposites were prepared in the form of [M(bpy)n(TiNbO5)2٠XH2O], where M can be Mn (II), Cu (II), Co (II)
or Ru (II), used as supports for platinum nanoparticles (Pt NPs). The synthesized materials were characterized using XRD, FTIR, Raman spectroscopy, UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy, thermogravimetric analysis, zeta potential determination, scanning electron microscopy (SEM), electron dispersion spectroscopy (EDS) and transmission microscopy (TEM). Preliminary H2 evolution tests were carried out using NaBH4 with all the materials synthesized without and with Pt NPs. The Pt NPs/CoTiNb showed the best H2 generation rate (HGR) result, with a 22009 mL min-1 g-1 value. Varying parameters, such as the concentration of Pt NPs, the concentration of NaBH4, and the effect of NaOH on the reaction, carried out the kinetics study of NaBH4 hydrolysis using Pt NPs/CoTiNb. The activation energy (Ea) was calculated according to the Arrhenius equation. The result obtained was 35,27 kJ mol-1. The durability of the Pt NPs/CoTiNb was assessed, obtaining an increase in HGR of 53,98% up to cycle 3, and after 10 cycles, the catalyst retained 61% of its initial HGR. The study also examined the current state of development of titanoniobates in the field of H2 production and their use in the development of lithium batteries, photocatalysis, and electrocatalysis. This was achieved through bibliometric and patentometric analysis, which employed a time series indicator, protection market indicator, patent applicant indicator, and technical area indicator.
Assunto
Inovações tecnológicas, Compostos de metais de transição, Catalisadores de metais de transição, Nanopartículas, Hidrogênio – Armazenamento, Baterias de lítio, Fotocatálise, Eletrocatálise, Titânio, Compostos de nióbio
Palavras-chave
Titanoniobato, Catalisador, Nanocompósito, Armazenamento de hidrogênio, Complexos de metais de transição