O uso do peróxido de hidrogênio eletrogerado in situ em Processos Oxidativos Avançados (POAs) é um promissor método para o tratamento de efluentes orgânicos. Neste contexto, o desenvolvimento de materiais mais eficientes para viabilizar a reação de redução do oxigênio (RRO) pelo mecanismo envolvendo a transferência de dois elétrons ainda é de grande importância. O presente estudo objetiva a obtenção e a avaliação da atividade catalítica de nanopartículas de óxidos metálicos, Ta₂O₅, MoO₃, Nb₂O₅ ou ZrO₂, incorporadas em carbono Printex 6L e em grafeno no estudo da redução do oxigênio visando a eletrogeração de peróxido de hidrogênio. A caracterização morfológica e microestrutural desses materiais foi investigada por difração de raios X, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X. O mecanismo da RRO foi analisado pela técnica do eletrodo de disco-anel rotatório. O carbono Printex 6L apresentou uma eficiência de corrente para a eletrogeração de H₂O₂ (I(H₂O₂)%) igual a 65,3% em K₂SO₄ 0,1 mol L^-1 (pH =2). Após o tratamento térmico desse substrato pelo método dos precursores poliméricos, a eficiência de corrente aumentou 17,1%, ou seja, I(H₂O₂)% igual a 76,5%. A modificação do carbono Printex 6L com nanopartículas cristalinas de Ta₂O₅, MoO₃, Nb₂O₅ ou ZrO₂ deslocou o potencial de meia-onda para a RRO para valores menos negativos e aumentou a I(H₂O₂)%. O Nb₂O₅/C apresentou a maior I(H₂O₂)%, 87,1%, enquanto o ZrO₂/C deslocou o potencial em 137 mV. O estudo comparativo entre três substratos de carbono para a redução do oxigênio, revelou que o óxido de grafeno reduzido apresentou maior atividade para a RRO comparado ao óxido de grafeno e ao carbono Printex 6L, tanto em eletrólito ácido quanto em eletrólito alcalino. A modificação do rGO com Nb₂O₅ ou ZrO₂ pelo método hidrotermal aumentou a atividade catalítica desse substrato para a RRO. A maior eletrogeração de H₂O₂ foi observada na presença do ZrO₂. De fato, um aumento de 73,7% para 88,5% em K₂SO₄ 0,1 mol L^-1 (pH =2), e de 72,9% para 83,1% em NaOH 0,1 mol L^-1, foi observado em rGO e ZrO₂-rGO, respectivamente. Além disso, o ZrO₂-rGO apresentou menor sobrepotencial para a RRO comparado ao rGO sem modificador. Portanto, a presença das nanopartículas de óxidos metálicos na matriz condutora de carbono amorfo intensificou a atividade catalítica para a eletrogeração do H₂O₂, tanto em carbono Printex 6L quanto em óxido de grafeno reduzido, indicando o efeito sinérgico entre as nanopartículas e o subtrato de carbono. Consequentemente, os catalisadores avaliados neste trabalho são promissores para a eletrogeração de espécies oxidantes in situ e sua aplicaçao em POAs.

In situ electrogeneration of hydrogen peroxide has been greatly application in Advanced Oxidation Processes (AOPs) as an effective water treatment technology. In this context, the development of electrode materials that enable the oxygen reduction reaction (ORR) mechanism through a two-electron pathway with high selectivity at low overpotential has a pronounced importance. In the present study, we investigate the properties of Ta₂O₅, MoO₃, Nb₂O₅ or ZrO₂ nanoparticles supported on Printex 6L carbon and reduced graphene oxide for the electrocatalysis of oxygen reduction to H₂O₂. The structures and morphologies of these materials were characterized by X-ray diffraction analysis, transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. Electrochemical activities toward the ORR were evaluated using a rotating ring-disk electrode system. Printex 6L carbon showed a current efficiency for H₂O₂ production (I(H₂O₂)%) of 65.3% in K₂SO₄ 0.1 mol L^-1 (pH =2) whereas the carbon heat-treated by the polymeric precursor method displayed 76.5% yield of H₂O₂ electrogeneration. Carbon Printex 6L modified with Ta₂O₅, MoO₃, Nb₂O₅ or ZrO₂ nanoparticles shifted the half-wave potential for the ORR to less negative potential and increased the I(H₂O₂)%. The Nb₂O₅/C showed the highest I(H₂O₂)%, 87,1%, and the ZrO₂/C shifted the potential 137 mV. The comparative study of ORR in acid and alkaline media for the three different conductive carbon pigment showed that the reduced graphene oxide displayed higher activity to oxygen reduction than graphene oxide and Printex 6L carbon. Reduced graphene oxide modified with Nb₂O₅ or ZrO₂ nanoparticles by hydrothermal method increased the catalytic activity of this substrate for ORR which the highest H₂O₂ electrogeneration was observed for ZrO₂-rGO. Indeed, an increase from 73.7% to 88.5% in K₂SO₄ 0.1 mol L^-1 (pH =2) and from 72.9% to 83.1% in NaOH 0.1 mol L^-1 was obtained for rGO and ZrO₂-rGO, respectively. Additionally, the ZrO₂-rGO electrocatalyst exhibited overpotential lower than that of rGO unmodified. Therefore, the metallic oxides nanoparticles in both carbon Printex 6L and reduced graphene oxide enhanced the catalytic activity for H₂O₂ electrogeneration indicating the synergistic effect between the nanoparticles and the amorphous carbon. The catalysts evaluated in this study are promising for in situ electrogeneration of oxidizing agents to be used in the degradation of organic pollutants.