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Tipo: Tese
Título: Eletrodeposição dos revestimentos FexCo100-x e FexNi100-x em solvente eutético cloreto de colina e ureia: caracterização e aplicação na reação de desprendimento de hidrogênio
Título em inglês: Electrodeposition of FexCo100-x and FexNi100-x coatings in eutectic solvent choline chloride and urea: characterization and application in the hydrogen evolution reaction
Autor(es): Oliveira, Francisco Gilvane Sampaio de
Orientador: Lima Neto, Pedro de
Palavras-chave: Eletrodeposição;Solventes eutéticos;Fe-Co;Fe-Ni;Nanofios;Eletrocatálise;Reação de desprendimento de Hidrogênio
Data do documento: 2021
Citação: OLIVEIRA, Francisco Gilvane Sampaio. Eletrodeposição dos revestimentos FexCo100-x e FexNi100-x em solvente eutético cloreto de colina e ureia: caracterização e aplicação na reação de desprendimento de hidrogênio. 2021. 122 f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Materiais) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência de Materiais, Fortaleza, 2021.
Resumo: A utilização de fontes energéticas não renováveis, sobretudo as de origem fóssil, que compõem cerca de 81% da matriz energética mundial, tem provocando ao meio ambiente diversos problemas que são, cada vez mais, perceptíveis por toda a sociedade. Neste cenário, a busca por novas fontes energéticas alternativas, que sejam limpas e renováveis, têm ganhado cada vez mais notoriedade. Com destaque para o Hidrogênio verde, que é considerado a mais promissora fonte de energia renovável. Portanto, o principal objetivo desta investigação foi a eletrodeposição de revestimentos FexCo100−x e FexNi100−x obtidos a partir da mistura eutética de cloreto de colina e ureia, e aplicados como eletrocatalisadores da reação de desprendimento de Hidrogênio em meio alcalino. Além disso, as propriedades, morfológicas, estruturais, e magnéticas dos materiais eletrodepositados foram investigadas, com a finalidade de fornecer uma compreensão detalhada sobre a influência de tais parâmetros. As análises morfológicas revelaram a formação de superfícies trincadas em todos os revestimentos FexCo100−x, sendo que as trincas se tornaram menores com o aumento da concentração de Co nos revestimentos. Além disso, tais morfologias também foram observadas nos revestimentos FexNi100−x, entretanto, para concentrações de Ni superiores à 31 %, a morfologia dos revestimentos foi caracterizada por aglomerados de partículas esféricas, que é uma morfologia comum dos eletrodepósitos ricos em Ni. A investigação por espectroscopia, Mössbauer confirmou a formação da liga Fe-Co nas seguintes amostras Fe87Co13, Fe64Co36, e Fe44Co56, bem como para liga Fe-Ni foi obtida nas amostras Fe89Ni11, Fe47Ni53, e Fe28Ni72. Além disso, a fabricação dos nanofios da liga Fe57Co43 via eletrodeposição foi realizada com sucesso na mistura eutética de cloreto de colina ureia, sendo obtido a morfologia e estrutura cristalina desejada. Todos os materiais produzidos nesta investigação foram testados como eletrocatalisadores da reação de desprendimento de Hidrogênio, os resultados eletrocatalíticos mostraram que os materiais apresentam bom desempenho, com resultados compatíveis a outros materiais catalíticos a base de metais de transição reportados na literatura. Com destaque para os revestimentos binários FexCo100−x e FexNi100−x, que embora apresentam atividade eletrocatalítica inferior ao Fe puro, a incorporação dos metais Co ou Ni proporcionou aos materiais maior estabilidade e durabilidade como foi mostrado nos testes de operação contínua. Finalmente, podemos concluir que mistura eutética de cloreto de colina e ureia, é uma excelente alternativa para eletrodepositar materiais a base de Fe, Co e Ni, uma vez que neste solvente a eletrodeposição de tais metais ocorre de forma eficiente sem a necessidade de agentes complexantes, além do mais, o solvente é biodegradável deixando assim o processo ambientalmente correto.
Abstract: The use of non-renewable energy sources, especially those of fossil origin, which make up about 81 % of the world’s energy matrix, has caused several environmental problems that are increasingly noticeable throughout society. In this scenario, the search for new alternative energy sources, which are clean and renewable, has gained more and more notoriety with the emphasis on green hydrogen, which is considered the most promising source of renewable energy. Therefore, the main objective of this investigation was the electrodeposition of FexCo100−x and FexNi100−x coatings obtained from eutectic mixture choline chloride-urea and applied as Hydrogen evolution reaction electrocatalysts in alkaline solutions. Furthermore, the materials’ morphological, structural, and magnetic properties were investigated to provide a detailed understanding of the influence of such parameters. Morphological analyzes revealed the formation of cracked surfaces in all FexCo100−x coatings, with the increase in Co concentration causing the cracks to become smaller. Moreover, such morphologies were also observed in the FexNi100−x coatings, however, as Ni contractions, greater than 31 % are added, the coatings morphology changes to agglomerates of spherical particles, which is a typical morphology of Ni-rich electrodeposits. The investigation by spectroscopy, Mössbauer confirmed the formation of the Fe-Co alloy in the following samples Fe87Co13, Fe64Co36, and Fe44Co56, as well as the Fe-Ni alloy was obtained only in the samples Fe89Ni11, Fe47Ni53, and Fe28Ni72. Besides, the fabrication of the Fe57Co43 alloy nanowires via electrodeposition was successfully carried out in the eutectic mixture choline chloride-urea, obtaining the desired morphology and crystalline structure. All materials produced in this investigation were tested as Hydrogen evolution reaction electrocatalysts, the electrocatalytic results showed that the materials have good performance, with results compatible with other catalytic materials based on transition metals reported in the literature. In particular, the binary coatings FexCo100−x and FexNi100−x, which although present electrocatalytic activity lower than pure Fe, the incorporation of Co or Ni metals provided the materials with more excellent stability and durability as shown in continuous operation tests. Finally, we can conclude that the eutectic mixture choline chloride-urea is an ideal alternative for electrodepositing Fe, Co, and Ni-based materials, since in this solvent the electrodeposition of such metals takes place efficiently without the need for complexing agents, moreover the solvent is biodegradable thus making the process environmentally friendly.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/63634
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