Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
CIÊNCIA E TECNOLOGIA (33144010003P0)
Eletrocatalisadores Nanoestruturados de MnO2 em Carbono Vulcan Aplicados na Eletrogeração de H2O2 para a Mineralização de Corante Diazo
LUCI ROCHA AVEIRO
TESE
28/09/2018

Os nanomateriais de óxido de manganês (MnO2) representam promissores materiais eletrocatalisadores de baixo custo para produção de peróxido de hidrogênio (H2O2) pela reação de redução de oxigênio (RRO). Aqui, descreve-se a síntese de materiais híbridos compostos por nanoflores de MnO2 suportadas em carbono Vulcan XC72 onde a concentração dos locais de vacância de oxigênio na superfície foi aumentada. Experimentos de RRDE mostraram a maior formação de íons hidroperóxido em meio alcalino para 3% MnO2/C, exibindo a maior atividade eletrocatalítica, transferindo 2,1 elétrons com um rendimento de 96% de H2O2, enquanto que o carbono Vulcan XC72 produziu apenas 73% de H2O2. Foram preparados eletrodos de difusão gasosa (EDG) com este material a fim de se estudar a produção de H2O2 in situ e verificou-se que o mesmo era capaz de gerar 391 mg.L-1 de H2O2, cerca de cinco vezes mais que o Vulcan XC72 (83 mg.L-1) em 2 horas em meio ácido. Este EDG modificado (NFMnO2 / Vulcan XC72) foi aplicado na degradação eletroquímica do corante Preto Reativo 5 (PR5) por dois métodos: degradação eletroquímica e foto assistida com e sem reagente de Fenton. Foram utilizados dois anodos, Pt e diamante dopado com boro (DDB), e o cátodo de 3% NFMnO2/Vulcan XC72 (EDG). Utilizou-se uma célula eletroquímica sem divisão com o EDG. A eficiência da descoloração foi monitorada por espectroscopia UV-vis, e a degradação foi monitorada pela análise de Carbono Orgânico Total (TOC). Para monitoramento da dissolução do manganês, alíquotas (1 mL) foram coletadas durante a degradação. Após 6 horas de eletrogeração de H2O2, a concentração de manganês na solução de PR5 foi de apenas 23,1 ± 1,2 μg L-1. Estimou-se que aproximadamente 60 μg L-1 (<0,2%) de manganês migraram do EDG para a solução após 12 h de eletrólise, o - que indicou a boa estabilidade do mesmo. Os processos fotoeletro-Fenton-DDB (FEFBDD) mostraram a melhor porcentagem de remoção de cor (~ 93%) e 91% de mineralização. Além disso, a cinética de descoloração e a eficiência do catodo do eletrodo de difusão de gás para a degradação da carga orgânica em efluente têxtil simulado também foram avaliadas. A remoção de cor e de COT foi eficiente em todos os processos propostos, sendo capaz de promover altas porcentagens de remoção de COT após oxidação com uma cinética de pseudo-primeira ordem. O processo PEFDDB foi o mais eficaz para remover o corante PR5 em 5 min 95%, enquanto para remoção de cor com o EF-DDB foi de 93% e 2% apenas com a oxidação anódica, já a redução de COT foi de 52%, 56% e 1%, respectivamente. Os processos EF-DDB e PEF-BDD têm kobs cerca de 5 e 56 vezes maior, respectivamente, do que valores relatados na literatura com o processo UVC/H2O2 na presença de ferrioxalato para descoloração de efluente com PR5.

dióxido de manganês;nanoflores;eletro-Fenton;eletrodo de difusão gasosa;reação de redução de oxigênio;vacâncias de oxigênio;degradação;corante diazo
Manganese oxide (MnO2) nanomaterials represent promising low-cost electrocatalyst materials for hydrogen peroxide (H2O2) production by the oxygen reduction reaction (ORR). In this material, the introduction of oxygen vacancies is an effective strategy for boosting their electrocatalytic activities. Here, we describe the synthesis of hybrid materials composed of MnO2 nanoflowers supported on Vulcan XC72 carbon in which the concentration of the oxygen vacancy sites on the surface was increased. RRDE experiments showed the greatest formation of hydroperoxide ion in alkaline media for MnO2/C 3% on carbon, exhibiting the highest electrocatalytic activity, transferring 2.1 electrons with a yield of 96% H2O2, while the Vulcan XC72 carbon produced only 73% H2O2. Gas diffusion electrodes (GDE) were prepared using this material to study the H2O2 in situ production and it was able to generate 391 mg L-1 of H2O2, about five times higher than Vulcan XC72 (83 mg L-1) for 2 hours in acidic media. The modified GDE (NFMnO2/Vulcan XC72) was applied in the electrochemical degradation of Reactive Black 5 (RB5) by two methods: electrochemical and photo-assisted electrochemical degradation, with and without, a Fenton reagent. Two anodes were used, Pt and borondoped diamond (BDD), and the cathode was 3% MnO2 nanoflowers (NFMnO2) on a carbon gas diffusion electrode (GDE). An electrochemical cell without was used. The decolorization and the degradation process was monitored by UV-vis spectroscopy and Total Organic Carbon (TOC) analysis, respectively. For Mn dissolution monitoring, aliquots (1 mL) were collected during the degradation. After 6 hours of H2O2 electrogeneration, the manganese concentration in the RB5 solution was only 23.1 ± 1.2 μg L-1. It was estimated that approximately 60 μg L-1 (<0.2%) of manganese migrated from GDE to the solution after 12 h of electrolysis, indicating a good stability of the GDE. The photoelectron-Fenton-BDD (PEF-BDD) processes showed both the best color removal percentage (~93%) and mineralization (91%). Additionaly, the discoloration kinetics and the efficiency of the gas diffusion electrode cathode for the degradation of the organic load in the simulated textile effluent were also evaluated. The experimental set-up for combined anodic oxidation with photo-assisted electro-Fenton processes (PEF-BDD) was more efficient than only anodic oxidation (AO). The color and TOC removal were more efficient in all proposed processes being able to promote high percentages of TOC removal after oxidation following a reaction kinetics of pseudo-first order. The PEF-BDD process was the most effective to remove RB5 dye within 5 min (95%), while for EF-BDD and AO, the color removal was 93% and 2%. The TOC reduced 52%, 56% and 1%, respectively. The EF-BDD and PEF-BDD processes have kapp about 5 and 56 times higher, respectively, than the values reported in the literature with UVC/H2O2 process in the presence of ferrioxalate for effluent discoloration with RB5.
manganese dioxide;nanoflowers;electro-Fenton;gas diffusion electrode;oxygen reduction reaction;oxygen vacancies;RB5;dye
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PORTUGUES
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O trabalho não possui divulgação autorizada

Contexto

QUÍMICA
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Banca Examinadora

MAURO COELHO DOS SANTOS
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
TIAGO LUIZ FERREIRA Participante Externo
FERNANDO HEERING BARTOLONI Docente - PERMANENTE
HUEDER PAULO MOISES DE OLIVEIRA Participante Externo
ARTUR DE JESUS MOTHEO Participante Externo

Vínculo

Servidor Público
Instituição de Ensino e Pesquisa
Ensino e Pesquisa
Não