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Document Type: Dissertação
Title: Eletrocatalisador bifuncional baseado em material carbonáceo para geração de hidrogênio e oxigênio de baixo carbono
Authors: Santos, Marcos Vinícius Quirino dos
Issue Date: 14-Aug-2025
Advisor: Sussuchi, Eliana Midori
Co-advisor: Banda, Giancarlo Richard Salazar
Resumo : O elevado custo, a escassez e a limitada estabilidade dos eletrocatalisadores à base de metais nobres, como platina, irídio e ródio, têm motivado a busca por materiais alternativos mais abundantes, sustentáveis e economicamente viáveis para uso como catalisadores na eletrólise da água. Nesse contexto, o biocarvão obtido a partir de resíduos vegetais destaca-se como um promissor material carbonáceo para o desenvolvimento de eletrocatalisadores eficientes e de baixo impacto ambiental. Neste trabalho, foi desenvolvido um eletrocatalisador à base de biocarvão derivado da planta aquática Marsilea minuta, denominado biocarvão de Marsilea (BMQ), aplicado nas reações de desprendimento de hidrogênio (HER – do inglês hydrogen evolution reaction) e de oxigênio (OER – do inglês oxygen evolution reaction), em meio ácido e alcalino, respectivamente. O biocarvão foi preparado por pirólise a 500 °C sob atmosfera inerte de nitrogênio e caracterizado por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difração de raios X (DRX), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). As análises revelaram uma estrutura amorfa e porosa, além da presença de grupos funcionais oxigenados e nitrogenados, que atuam como sítios ativos para as reações eletrocatalíticas. As análises eletroquímicas, realizadas com eletrodo de carbono vítreo modificado com o material, demonstraram atividade significativa para HER e OER, com baixos sobrepotenciais necessários para atingir densidade de corrente de 10 mA cm⁻² e inclinações de Tafel compatíveis com uma cinética de reação favorável. A estabilidade eletroquímica foi confirmada por cronopotenciometria, evidenciando o potencial do BMQ como eletrocatalisador bifuncional com baixa emissão de carbono. Esses resultados indicam que o biocarvão de Marsilea minuta representa uma alternativa promissora e sustentável para aplicações em sistemas de eletrólise da água, contribuindo para o avanço de tecnologias limpas de produção de hidrogênio de baixo carbono e oxigênio.
Abstract: The high cost, scarcity, and limited durability of noble-metal-based electrocatalysts, such as platinum, iridium, and rhodium, have driven the search for alternative materials that are abundant, sustainable, and economically viable for use as catalysts in water electrolysis. In this context, biochar derived from plant residues has emerged as a promising carbon-based material for the development of efficient and environmentally friendly electrocatalysts. This dissertation reports the development of an electrocatalyst based on biochar derived from the aquatic plant Marsilea minuta (BMQ), applied to the hydrogen evolution reaction (HER) in acidic medium and to the oxygen evolution reaction (OER) in alkaline medium. The biochar was prepared by pyrolysis at 500 °C under an inert nitrogen atmosphere and characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and scanning electron microscopy (SEM). The results revealed an amorphous structure with a porous surface and the presence of oxygen- and nitrogen-containing functional groups, which act as active sites for electrocatalytic reactions. Electrochemical tests using a glassy carbon electrode modified with the material demonstrated significant activity for both HER and OER, exhibiting low overpotentials required to reach a current density of 10 mA cm⁻² and Tafel slopes consistent with favorable reaction kinetics. Electrochemical stability was confirmed by chronopotentiometry, highlighting the potential of BMQ as a bifunctional electrocatalyst with low carbon emissions. These results indicate that biochar derived from Marsilea minuta is a promising and sustainable alternative for application in water electrolysis systems, contributing to the advancement of low carbon hydrogen and oxygen production technologies.
Keywords: Biocarvão
Marsilea minuta
Eletrocatálise
Eletrólise
Energia renovável
Hidrogênio verde
Biochar
Electrocatalysis
Electrolysis
Renewable energy
Green Hydrogen
Subject CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Sponsorship: Fundação de Apoio a Pesquisa e à Inovação Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE
Language: por
Institution: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Program Affiliation: Pós-Graduação em Química
Citation: SANTOS, Marcos Vinícius Quirino dos. Eletrocatalisador bifuncional baseado em material carbonáceo para geração de hidrogênio e oxigênio de baixo carbono. 2025. 102 f. Dissertação (Mestrado em Química) — Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2025.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/24224
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