Preparação de carbonos ativados funcionalizados com nitrogênio e sua aplicação como eletrocatalisadores livres de metais

Abstract

Carbonos ativados (CAs) apresentam propriedades que os tornam muito interessantes para uso em aplicações diversas. Eles apresentam elevadas porosidade e área superficial, o que os torna excelentes adsorventes. Essas características de morfologia de poros associadas a outras tais como elevada condutividade elétrica e ótimas resistências química e mecânica tornam esses materiais excelentes opções para emprego como catalisadores, suportes para catalisadores, eletrocatalisadores, capacitores, sondas moleculares, etc. Além da morfologia de poros, a composição química da superfície também influencia decisivamente a performance dos CAs nas diferentes aplicações. Neste contexto, foi realizado no presente trabalho um estudo detalhado acerca da produção e caracterização de carbonos ativados com diferentes composições químicas da superfície. Um CA comercial (WV) com estrutura hierárquica de micro e mesoporos, obtido a partir da ativação química de biomassa lignocelulósica com H3PO4, foi usado como material de partida. Materiais com maiores teores de grupos ácidos oxigenados foram obtidos a partir do tratamento de WV com solução de HNO3 ou em atmosfera de O3. Por sua vez, um CA mais neutro e menos oxigenado foi produzido por meio do tratamento térmico de WV a 800 oC sob atmosfera inerte. Finalmente, CAs dopados com grupos funcionais básicos nitrogenados foram obtidos por meio de tratamentos térmicos, a diferentes temperaturas, em atmosfera de NH3. Os materiais obtidos foram testados para a separação de CO2 a partir de misturas de gases (principalmente em misturas com N2 e CH4), como capacitores e como eletrocatalisadores em reações tais como de Redução de Oxigênio (ORR) e de Desprendimento de Hidrogênio (HER). Os tratamentos realizados não influenciaram significativamente a performance dos materiais frente à adsorção de CO2, sendo que, para esta aplicação, a morfologia de poros foi o fator decisivo. Entretanto, a dopagem com nitrogênio, especialmente em temperatura mais elevada (800 oC), propiciou a obtenção de materiais com performances bastante superiores para as aplicações eletroquímicas, sendo observadas maiores capacitâncias, potenciais de partida mais baixos e correntes limite mais elevadas.