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Master's Dissertation
Full name
Thaylan Pinheiro Araújo
Knowledge Area
Date of Defense
São Paulo, 2019
Torresi, Susana Ines Cordoba de (President)
Nogueira, Ana Flavia
Santos, Mauro Coelho dos
Title in English
Catalysts based on transition metals for applications in energy conversion
Keywords in English
CO2 hidrogenation
Earth-abundant transition metals
Energy conversion
Heterogeneous catalysts
Water splitting
Abstract in English
Energy conversion processes such as the water splitting and CO2 hydrogenation reactions have emerged as attractive approaches to mitigate environmental concerns on CO2 emissions as well as to provide an alternative source of renewable fuels. These strategic processes can capitalize on the energy of renewable resources (e.g solar and wind) to drive chemical reactions to generate, in a green and sustainable way, fuels and value-added chemicals. Economically feaseable heterogeneous catalysts play a central role in advancing such processes for globally-relevant production scales. Hence, in this work, we focused on the synthetic development of several catalyst systems based on cost-effective earth-abudant 3d transition metals such as nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe) and zinc (Zn). Specifically, we turned our attention to produce a series of catalysts comprised of: i) NiFe oxyhydroxide supported on carbon for application in oxygen evolution reaction (OER), a bottleneck reaction for the water splitting process, and ii) Ni and Co nanoparticles supported on Zinc oxide (ZnO) for the CO2 hydrogenation reaction. Regarding the NiFe oxyhydroxide systems, we evaluated the catalytic performance of these materials towards the OER and benchmarked those with that of state-of-the-art OER electrocatalyts such as Ir/C. In addition to that, we also focused on rationalizing the key reasons for the significant enhancements in OER activity of such catalysts in terms of their surface and bulk compositions. For Co/ZnO and Ni/ZnO catalysts, aside from assessing their catalytic activity and selectivity behavior, we performed a systematic investigation of the catalytically important properties of such catalyst interfaces under typical CO2 hydrogenation reaction conditions using in situ ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (AP-XPS). This allowed us to acquire important knowledge into the origin and the nature of the active sites associated with the catalytic activity and selectivity in these materials.
Title in Portuguese
Catalisadores baseados em metais de transição para aplicações em processos de conversão de energia
Keywords in Portuguese
Catalisadores heterogéneos
Conversão de energia
Hidrogenação de CO2
Metais de transição abundantes na terra
Separação de água
Abstract in Portuguese
Processos de conversão de energia, como as reações de quebra de água e hidrogenação de CO2, têm surgirdo como abordagens atraentes para mitigar as preocupações ambientais das emissões de CO2, bem como para fornecer uma fonte alternativa de combustíveis renováveis. Esses processos estratégicos podem capitalizar a energia de recursos renováveis (por exemplo, solar e eólica) para realizar reações químicas que geram, de forma sustentável e ecológica, combustíveis e produtos químicos com valor agregado. Catalisadores heterogêneos economicamente viáveis desempenham um papel central no avanço de tais processos para escalas de produção globalmente relevantes. Assim, neste trabalho, nos concentramos no desenvolvimento sintético de vários sistemas catalisadores baseados em metais de transição 3d abudantes como o níquel (Ni), cobalto (Co), ferro (Fe) e zinco (Zn). Especificamente, voltamos nossa atenção para produzir uma série de catalisadores compostos de: i) oxi-hidróxido de NiFe suportado em carbono para aplicação na reação de evolução de oxigênio (OER), uma reação limitante para o processo de quebra de água, e ii) nanopartículas de Ni e Co suportadas em Óxido de zinco (ZnO) para a reação de hidrogenação do CO2. Com relação aos sistemas de oxi-hidróxido de NiFe, avaliamos o desempenho catalítico desses materiais frente a OER e comparamos estes com eletrocatalisadores para OER de última geração, como Ir/C. Além disso, também nos concentramos em racionalizar as principais razões para as melhorias significativas na atividade catalítica de tais catalisadores em termos de suas composições de superfície e volume. Para os catalisadores de Co/ZnO e Ni/ZnO, além de avaliar sua atividade catalítica e seletividade, realizamos uma investigação sistemática in situ das propriedades cataliticamente importantes de tais interfaces usando a Espectroscopia de Fotoelétrons de Raios X a Pressão Ambiente. (APXPS) sob condições típicas de reação de hidrogenação de CO2. Isso nos permitiu adquirir conhecimentos importantes sobre a origem e a natureza dos sítios ativos associados à atividade e seletividade catalítica nesses materiais.
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