Síntese de carbonos porosos modificados com nitrogênio para aplicações ambientais: captura de CO2 e produção de H2
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Synthesis of nitrogen-modified porous carbons for environmental solutions: CO2 capture and H2 production
Primeiro orientador
Membros da banca
Arilza de Oliveira Porto
Tulio Matencio
Renata Pereira Lopes Moreira
João Paulo Campos Trigueiro
Tulio Matencio
Renata Pereira Lopes Moreira
João Paulo Campos Trigueiro
Resumo
Este trabalho apresenta a síntese de carbonos porosos modificados com nitrogênio (NCs) utilizando uma rota de síntese livre de solventes e alinhada aos princípios da Química Verde,
denominada mecanoquímica. Os materiais sintetizados foram avaliados em duas frentes: como adsorventes para a captura de CO2 e como suportes para nanocompósitos de niobatos metálicos
(NC14@NbX, X = Co, Cu, Ni, Mn) para a eletrólise da água. Inicialmente, os NCs foram obtidos utilizando resorcinol (precursor de carbono) e melamina (precursor de nitrogênio) pelo
método mecanoquímico. Avaliou-se como a variação das proporções dos precursores afetam as propriedades texturais dos carbonos porosos. Os resultados indicaram que o composto MCN14
apresentou os melhores resultados texturais apresentando diâmetro médio (7,8 nm) e volume de mesoporos (0,24 cm3·g-1) maiores. Na captura de CO2, a incorporação com nitrogênio
demonstrou ser fundamental para aumentar a afinidade química com o gás em baixas pressões, com o material MCN14 atingindo uma capacidade de 2,3 mmol·g-1, superior ao carbono não
dopado. Como suporte eletrocatalítico, MCN14 conferiu notável atividade e excepcional estabilidade aos nanocompósitos para as reações de evolução de hidrogênio (HER) e oxigênio
(OER), especialmente em meio básico. Os catalisadores NC14@NbMn e NC14@NbCo destacaram-se por sua cinética favorável e, crucialmente, mantiveram desempenho estável por
100 horas de operação contínua. A durabilidade foi atribuída aos sítios de nitrogênio do suporte, que atuam como pontos de ancoragem, prevenindo a agregação e a lixiviação da fase ativa.
Assim, este estudo valida uma rota de síntese sustentável para a produção de materiais de carbono, demonstrando o papel duplo do nitrogênio como sítio ativo para adsorção de CO2 e
como estabilizador para fases eletrocatalíticas, abrindo caminho para o desenvolvimento de sistemas de baixo custo e alta durabilidade para aplicações ambientais e de energia.
Abstract
This work presents the synthesis of nitrogen-doped porous carbons (NCs) using a solvent-free synthesis route aligned with the principles of Green Chemistry, known as mechanochemistry.
The synthesized materials were evaluated on two fronts: as adsorbents for CO₂ capture and as supports for metal niobate nanocomposites (NC14@NbX, where X = Co, Cu, Ni, Mn) for water
electrolysis. Initially, the NCs were obtained by the mechanochemical method using resorcinol (carbon precursor) and melamine (nitrogen precursor). The effect of varying the precursor
proportions on the textural properties of the porous carbon was evaluated. The results indicated that the MCN14 compound showed the best textural results, exhibiting an average diameter
(7.8 nm) and mesopore volume (0.24 cm3·g-1). In CO2 capture, nitrogen doping proved to be fundamental in increasing chemical affinity with the gas at low pressures, with the MCN14
material reaching a capacity of 2.3 mmol·g-1, higher than undoped carbon. As electrocatalytic support, the MCN14 conferred remarkable activity and exceptional stability to the
nanocomposites for the Hydrogen Evolution Reaction (HER) and Oxygen Evolution Reaction(OER), especially in basic media. The NC14@NbMn and NC14@NbCo catalysts
stood out for their favorable kinetics and, crucially, maintained stable performance for 100 hours of continuous operation. Durability was attributed to the support's nitrogen sites, which
act as anchor points, preventing aggregation and leaching of the active phase. Thus, this study validates a sustainable synthesis route to produce carbon materials, demonstrating the dual role
of nitrogen as an active site for CO2 adsorption and as a stabilizer for electrocatalytic phases, paving the way for the development of low-cost, highly durable systems for environmental and
energy applications.
Assunto
Físico-química, Síntese, Niobatos, Dióxido de carbono, Materiais porosos, Química verde, Adsorção, Água – Eletrólise
Palavras-chave
Descarbonização, Carbonos porosos modificados com nitrogênio, Niobatos, Captura de CO2, Eletrólise da água, Produção de hidrogênio