Síntese assistida por micro-ondas de nanogrãos de Mn3O4 intercalados em camadas reduzidas de óxido de grafeno como material catódico para dispositivo alternativo de geração de energia limpa

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19043 (2022) Citar este artigo

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Os nanogrãos de Mn3O4 incorporados ao óxido de grafeno reduzido como um eletrocatalisador nanocomposto foram sintetizados por meio de uma técnica hidrotérmica assistida por micro-ondas de uma etapa, fácil e de pote único. Os nanocompósitos foram empregados como material catódico de células a combustível para reação de redução de oxigênio (ORR). O produto sintetizado foi minuciosamente estudado por meio de importantes caracterizações, como XRD para a análise da estrutura e análises FESEM e TEM para avaliar as estruturas morfológicas do material. Espectros Raman foram empregados para estudar as bandas GO, rGO e a formação do nanocompósito Mn3O4@rGO. Análises espectroscópicas de FTIR e UV-Vis foram usadas para verificar a síntese efetiva do eletrocatalisador desejado. O nanocompósito Mn3O4@rGO-10% com 10% em peso de óxido de grafeno foi usado para alterar a superfície brilhante do eletrodo de trabalho e aplicado para ORR em solução eletrolítica de KOH 0,5 M purgada com O2. O eletrocatalisador de nanocompósito Mn3O4@rGO-10% exibiu excelente desempenho com uma corrente melhorada de − 0,738 mA/cm2 e valores de sobrepotencial deslocados de − 0,345 V quando comparado a outros eletrodos controlados, incluindo o catalisador Pt/C usado convencionalmente, geralmente usado para atividade ORR . A tolerância do nanocompósito Mn3O4@rGO-10% foi testada pela injeção de uma concentração mais alta de metanol, ou seja, 0,5 M, e considerada insuscetível pelo cruzamento de metanol. O teste de estabilidade do eletrocatalisador sintetizado após 3000 s também foi considerado, e demonstrou excelente retenção de corrente de 98% em relação ao eletrocatalisador de Pt/C comercialmente disponível. O material nanocompósito sintetizado pode ser considerado como um eletrocatalisador eficaz e livre de Pt para ORR prático que atende aos requisitos de baixo custo, fabricação fácil e estabilidade adequada.

As crescentes necessidades diárias, o rápido desenvolvimento da economia global e a tecnologia levaram à diminuição das reservas de combustíveis fósseis, resultando em uma crise energética e problemas de aquecimento global1. Embora as demandas atuais de energia estejam sendo atendidas por reservas de combustíveis fósseis convencionais, essas fontes de energia precisam ser reservadas para as gerações futuras2. Essa crise energética iminente levou os pesquisadores a procurar fontes alternativas de energia sustentáveis, econômicas, ecológicas e eficientes3. Portanto, em busca de fontes alternativas de energia, um grande esforço tem sido feito para encontrar fontes de energia renováveis. Baterias de íons de lítio, supercapacitores, células de combustível e células solares como dispositivos de armazenamento/conversão de energia eletroquímica ganharam atenção considerável4,5,6,7,8. Baterias recarregáveis ​​de metal-ar (MABs) e células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs) são fontes de energia de última geração para produzir eletricidade limpa9,10. Nesses dispositivos, a redução de O2 ocorre na superfície do cátodo. Em dispositivos de conversão de energia (células de combustível), a reação de redução de O2 é um processo crítico. A reação de redução de oxigênio (ORR) ocorre em duas vias principais em uma solução aquosa; (1) uma transição de quatro elétrons que reduz O2 a H2O (água) e (2) um mecanismo de transferência de dois elétrons onde O2 é reduzido a H2O2 (peróxido de hidrogênio). No caso de solventes não aquosos apróticos ou soluções alcalinas, um fenômeno de redução de 1 elétron também pode ocorrer pela redução de O2 em superóxido (O2−). No caso da operação da célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), as moléculas de O2 são reduzidas na superfície do cátodo pelo ganho de elétrons devido ao ORR. A ligação O=O com uma energia de ligação excepcionalmente forte de 489 kJ/mol11 é uma ligação poderosa que é muito difícil de quebrar eletroquimicamente. Para reduzir essa barreira de energia e a ativação e clivagem da ligação, o auxílio de eletrocatalisadores é altamente necessário.

ORR é um processo seis vezes mais lento na superfície do cátodo do que a oxidação do hidrogênio em uma solução aquosa em PEMFCs. Essa redução lenta do O2 ocorre devido às diversas vias de reação e ao processo de adsorção/dessorção devido à participação de espécies intermediárias contendo O, como OOH*, O* e OH*12. Por esse motivo, o requisito de catalisador catódico costuma ser dez vezes maior do que o requisito de catalisador ânodo para aplicações em células de combustível13. Em escala industrial, o eletrocatalisador à base de Pt usado convencionalmente para ORR é responsável por 36-56% do custo total das células de combustível14,15. Embora o eletrocatalisador baseado em Pt de alto custo seja uma preocupação significativa, outra desvantagem do eletrocatalisador usado convencionalmente é sua suscetibilidade ao cruzamento de combustível, devido ao qual a estabilidade da célula de combustível é comprometida, limitando tremendamente as aplicações massivas das células de combustível. Consequentemente, a criação de um eletrocatalisador altamente ativo, suficientemente estável e econômico é de suma importância para substituir o eletrodo de cátodo à base de Pt para aplicações em larga escala.