Estratégias integradas de modificação de nanopartículas de óxido de zinco aplicadas à redução eletroquímica de CO2 a CO

dc.contributor.advisor1Souza, Ernesto Chaves Pereira de
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1505400360366643
dc.contributor.authorNóbrega, Eryka Thamyris Damascena
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/0986012637214676
dc.contributor.refereeOliveira, Cauê Ribeiro de
dc.contributor.refereeSedenho, Graziela Cristina
dc.contributor.refereeGasparotto, Luiz Henrique da Silva
dc.contributor.refereePocrifka, Leandro Aparecido
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/5321313558714462
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/6898859938989272
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/2649423643904707
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/6236326108324745
dc.date.accessioned2026-05-18T19:29:16Z
dc.date.issued2026-02-20
dc.description.abstractAnthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions represent one of the major environmental challenges of the present time, driving the development of strategies aimed at integrating carbon into sustainable chemical cycles. In this context, the electrochemical reduction of CO2 into value-added products, particularly carbon monoxide (CO), has emerged as a promising alternative. In this work, ZnO-based systems modified with Co2+, Ag+, and Cu2+, as well as Ag+/Cu2+ co-modified materials, were investigated. The catalysts were synthesized through a hydrothermal route assisted by microwave heating and UV-Vis radiation. The experimental strategy was supported by chemometric tools, enabling a statistically robust evaluation of the main effects and interactions among chemical composition, synthesis conditions, and operational parameters. The materials were characterized using structural, morphological, and electronic techniques. Electrochemical performance was evaluated in cells operating under continuous CO2 flow, employing gas diffusion electrodes and different applied potentials or current densities. Reaction products were quantified by chromatographic analysis, allowing the determination of Faradaic efficiencies. For the Co2+-doped ZnO system, cobalt incorporation induced significant changes in the electronic structure, including a reduction in charge carrier density and the introduction of deep defect states. These modifications hindered electronic transport at low overpotentials, resulting in lower selectivity toward CO. Although synthesis assisted by UV-Vis radiation modulated the nature of these defects and favored charge migration at more negative potentials, pristine ZnO synthesized without UV-Vis irradiation exhibited the best performance, reaching Faradaic efficiencies close to 97% for CO at more negative potentials, such as -1.0 V vs. RHE. In systems modified with Ag+, Cu2+, and Ag+/Cu2+, the presence of Ag+ proved particularly effective in improving the electrocatalytic performance of ZnO. ZnO(Ag) catalysts achieved Faradaic efficiencies above 80% for CO even at high current densities (up to -100 mA cm-2). This behavior is attributed to improved charge transport, enhanced CO2 adsorption, and greater stabilization of reaction intermediates. In contrast, Cu-containing materials exhibited lower selectivity toward CO, although they promoted the formation of minor products, suggesting modifications in reaction pathways and the possible promotion of competing routes. The Ag+/Cu2+ systems showed intermediate behavior, indicating that the synergistic effect between the metals strongly depends on their relative proportion and surface distribution. Overall, the results demonstrate that the electrocatalytic performance of ZnO is governed by a complex interplay between metal incorporation, synthesis method, and operational conditions.eng
dc.description.resumoAs emissões antropogênicas de dióxido de carbono (CO2) representam um dos principais desafios ambientais da atualidade, impulsionando o desenvolvimento de estratégias capazes de integrar o carbono em ciclos químicos sustentáveis. Nesse contexto, a redução eletroquímica de CO2 em produtos de maior valor agregado, especialmente monóxido de carbono (CO), surge como uma alternativa promissora. Neste trabalho, foram investigados sistemas de ZnO modificados com Co2+, Ag+ e Cu2+, bem como co-modificados com Ag+/Cu2+, sintetizados por rota hidrotermal assistida por micro-ondas e radiação UV-Vis. A estratégia experimental foi conduzida com suporte de ferramentas quimiométricas, permitindo avaliar de forma estatisticamente robusta os efeitos principais e as interações entre composição química, condições de síntese e parâmetros operacionais. Os materiais foram caracterizados por técnicas estruturais, morfológicas e eletrônicas. A avaliação eletroquímica foi realizada em células sob fluxo contínuo de CO2, utilizando eletrodos de difusão gasosa e diferentes potenciais ou densidades de corrente. Os produtos formados foram quantificados por análise cromatográfica, permitindo determinar as eficiências faradaicas. No sistema ZnO dopado com Co2+, observou-se que a dopagem promoveu alterações significativas na estrutura eletrônica, incluindo redução da densidade de portadores de carga e introdução de estados defeituosos profundos. Essas modificações prejudicaram o transporte eletrônico em baixos sobrepotenciais, resultando em menor seletividade para CO. Embora a síntese assistida por radiação UV-Vis tenha modulado a natureza desses defeitos, favorecendo a migração de carga em potenciais mais negativos, o ZnO puro sintetizado sem radiação UV-Vis, apresentou o melhor desempenho, alcançando eficiências faradaicas próximas a 97% para CO em potenciais mais negativos, como - 1,0 V vs. RHE. Nos sistemas modificados com Ag+, Cu2+ e Ag+/Cu2+, verificou-se que a presença de Ag+ foi particularmente eficaz em melhorar o desempenho eletrocatalítico do ZnO. Os catalisadores ZnO(Ag) alcançaram eficiências faradaicas superiores a 80% para CO mesmo em altas densidades de corrente (até -100 mA cm-2), resultado atribuído à melhoria no transporte de carga, ao aumento da adsorção de CO2 e à maior estabilização de intermediários reacionais. Em contraste, os materiais contendo Cu2+ apresentaram menor seletividade para CO, embora tenham favorecido a formação de produtos minoritários, sugerindo alterações nas rotas reacionais e possível favorecimento de caminhos competitivos. Os sistemas Ag+/Cu2+ apresentaram comportamento intermediário, indicando que o efeito sinérgico entre os metais depende criticamente da proporção e da distribuição superficial das espécies. De forma geral, os resultados demonstram que o desempenho eletrocatalítico do ZnO é governado por uma interação complexa entre dopagem metálica, método de síntese e condições operacionais.por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipIdProcessos nº 2022/05254-0 e 2023/16349-4, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.identifier.citationNÓBREGA, Eryka Thamyris Damascena. Estratégias integradas de modificação de nanopartículas de óxido de zinco aplicadas à redução eletroquímica de CO2 a CO. 2026. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24130.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24130
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQ
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectRedução eletroquímica de CO2por
dc.subjectÓxido de zincopor
dc.subjectDopagem metálicapor
dc.subjectSíntese fotoassistidapor
dc.subjectQuimiometriapor
dc.subjectCO2 electroreductioneng
dc.subjectZinc oxideeng
dc.subjectMetal dopingeng
dc.subjectPhoto-assisted synthesiseng
dc.subjectChemometricseng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::ELETROQUIMICA
dc.subject.ods7. Energia limpa e acessível
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.subject.ods12. Consumo e Produção Responsáveis
dc.subject.ods13. Ação contra a Mudança Global do Clima
dc.titleEstratégias integradas de modificação de nanopartículas de óxido de zinco aplicadas à redução eletroquímica de CO2 a COpor
dc.title.alternativeIntegrated strategies for modifying zinc oxide nanoparticles applied to the electrochemical reduction of CO2 to COeng
dc.typeTese

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