Eletrodo de membrana catalítica com Co3O4 nanoa

Imprensa Ciência China

imagem: Ilustração esquemática do PEM-ECMR tipo H com separador PEM e ânodo de membrana à base de Ti (esquerda); Foto do eletrodo de membrana tubular de Co3O4/Ti (meio); Imagens SEM dos nanoarranjos de Co3O4 (direita).Veja mais

Crédito: ©Science China Press

Este estudo é liderado pelo Prof. Zhen Yin (Faculdade de Engenharia Química e Ciência de Materiais, Universidade de Ciência e Tecnologia de Tianjin), Prof. Faculdade de Química e Engenharia Molecular, Universidade de Pequim).

Uma estratégia eletroquímica robusta com ânodo de membrana eficiente e estável (eletrodo de membrana Co3O4 NNs/Ti) construído com matrizes de nanoagulhas de Co3O4 (Co3O4 NNs) e membrana de titânio para a oxidação eletroquímica de poluentes orgânicos refratários e produção simultânea de hidrogênio de alta pureza sobre o cátodo em águas residuais sob a condição neutra. Os eletrodos de membrana com nanoestruturas de arranjo 3D foram construídos através da montagem de estruturas 1D constituídas por pequenas nanopartículas de Co3O4 (NPs) e ancoradas na superfície da membrana através de um processo de crescimento in situ sem ligantes e aditivos, o que facilitou substancialmente as reações eletroquímicas. O nanoarray 3D de Co3O4 poderia aumentar drasticamente a adesão interfacial íntima com substratos e, assim, facilitar o transporte de elétrons e a transferência de carga na interface do eletrodo e do eletrólito, levando a abundantes sítios ativos catalíticos. A limitação de difusão/transferência de massa para eletrodos de placa tradicionais foi superada através do carregamento de nanoarray 3D na superfície do poro da membrana e da configuração de fluxo.

O eletrodo de membrana Co3O4 NNs/Ti em modo flow-through exibiu eficiência de descontaminação superior e excelente estabilidade para tratamento de águas residuais durante o EAOP. Um método numérico de elementos finitos via COMSOL Multiphysics foi empregado para investigar a distribuição do campo elétrico superficial de eletrodos de membrana com diferentes nanoestruturas catalíticas. Enquanto isso, experimentos Raman in situ foram realizados em solução de Na2SO4 para entender os locais catalíticos do eletrodo de membrana Co3O4 NNs/Ti sob um campo elétrico. O mecanismo de degradação do fenol com o eletrodo de membrana Co3O4 NNs/Ti também foi discutido de acordo com as análises da solução permeada. Finalmente, para produzir hidrogênio de alta pureza, projetamos um ECMR tipo H (PEM-ECMR) com membrana Nafion como separador e o ânodo Co3O4 NNs/Ti, demonstrando desempenhos de degradação superiores para fenol e água corante, produção estável de hidrogênio puro e excelente estabilidade a longo prazo. O presente trabalho demonstra que a célula PEM-ECMR é flexível e prática para tratamento descentralizado de águas residuais e produção de hidrogênio puro sob baixo campo elétrico.

“Seria uma rota alternativa promissora para a recuperação simultânea de água doce limpa e a produção sustentável de energia de hidrogénio, cujo custo energético pode ser ainda mais reduzido se for alimentado com energia renovável no futuro, como a energia solar. Além disso, as águas residuais de efluentes industriais podem ser utilizadas como fonte de hidrogênio através da eletrocatálise da água combinada com o processo de eletrooxidação de poluentes”, diz Zhen.

Este trabalho irá inspirar o desenvolvimento de processos eletroquímicos, sistemas modulares descentralizados de tratamento de água e avanços tecnológicos para o tratamento de água contaminada em paralelo com a produção de energia renovável no futuro.

Veja o artigo:

Yin, Z., Zhang, K., Ma. N. et al. Eletrodo de membrana catalítica com nanoarranjos de Co3O4 para recuperação simultânea de água e hidrogênio de águas residuais, Sci. China Matéria. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2168-y.

Materiais da Ciência China

10.1007/s40843-022-2168-y

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