Explorando a versatilidade dos fosfetos de níquel na redução eletroquímica de moléculas de interesse energético e ambiental
| dc.contributor.advisor1 | Sales, Lucia Helena Mascaro | |
| dc.contributor.advisor1orcid | https://orcid.org/0000-0001-6908-1097 | |
| dc.contributor.author | Silva, Anelisse Brunca da | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/7501104525654694 | |
| dc.contributor.authororcid | https://orcid.org/0000-0003-4838-5352 | |
| dc.date.accessioned | 2025-03-18T19:05:09Z | |
| dc.date.issued | 2024-11-29 | |
| dc.description.abstract | This study investigates how the surface and bulk engineering of Ni−P catalysts, synthesized via electrodeposition, can optimize selectivity in the electroreduction reactions of H₂O/H⁺, NO3⁻, and the co-reduction of NO₃⁻ and CO₂. The influence of the Ni molar ratio in the deposition bath was analyzed to enhance the catalytic properties of nickel phosphide supported on Ni foam for the Hydrogen Evolution Reaction (HER). The optimal Ni concentration resulted in electrodes with low overpotentials and high durability across different pH ranges, reaching 69, 165, and 56 mV at –10 mA cm⁻2 in alkaline, neutral, and acidic media, respectively. This performance was attributed to the granular structure, large surface area, and amorphous nature of the electrode—factors that favor interaction with the electrolyte and improve the HER kinetics, leading to a Tafel slope of 71 mV dec⁻1. XPS analyses confirmed the stability of the Ni−P bond, and the minimal potential variation observed in stability measurements demonstrated the robustness of the catalyst in neutral and alkaline electrolytes. To enable its application in the nitrate reduction reaction, the nickel phosphide film was deposited on carbon paper and functionalized with δ-FeOOH nanoplates. This modification led to the formation of CP/Ni−P/δ-FeOOH heterostructures, which exhibited high efficiency in nitrate-to-ammonia conversion, suppressing HER and promoting NO3⁻ adsorption. The heterostructure achieved a Faradaic efficiency of 98% ± 0.72 at -0.3 V vs. RHE, with an NH₃ production rate of 8.49 mg h⁻1 cm⁻2. Stability was maintained over 12 consecutive cycles, even with the use of a green, non-toxic binder, preserving the surface modification. δ-FeOOH stabilized intermediates through hydrogen bonding with -OH groups in its structure, controlling the formation of Hads and promoting the selective hydrogenation of NO₃⁻ intermediates. Simultaneously, the incorporation of tin (Sn) into nickel phosphide proved to be a strategic approach for the co-reduction of CO2 and NO3⁻, redirecting selectivity toward carbon monoxide production while suppressing competitive HER. The addition of Sn led to the formation of deposits composed of cubic nanoparticles of nickel and tin phosphides, also favoring urea synthesis, with a Faradaic efficiency of up to 62%. The synergy between Sn and Ni active sites enabled the simultaneous activation of CO2 and NO3⁻, facilitating intermediate coupling. This study highlights the great potential of modified nickel phosphides for catalytic applications, contributing to the sustainable production of high-value-added products such as urea, ammonia, and H2 from abundant molecules. | eng |
| dc.description.resumo | Este estudo investiga como a engenharia de superfície e do "bulk" de catalisadores de Ni−P, sintetizados via eletrodeposição, pode otimizar a seletividade nas reações de eletrorredução de H₂O/H⁺, NO₃⁻ e na co-redução de NO₃⁻ e CO₂. A influência da razão molar de Ni no banho de deposição foi analisada visando aprimorar as propriedades catalíticas do fosfeto de níquel suportado em espuma de Ni para a Reação de Desprendimento de Hidrogênio (RDH). A concentração ideal de Ni resultou em eletrodos com baixos sobrepotenciais e alta durabilidade em diferentes faixas de pH, atingindo 69, 165 e 56 mV a –10 mA cm⁻² em meios alcalino, neutro e ácido, respectivamente. Esse desempenho foi atribuído à estrutura granular, ampla área de superfície e amorficidade do eletrodo, fatores que favorecem a interação com o eletrólito e aprimoram a cinética da RDH, resultando em um coeficiente de Tafel de 71 mV dec⁻1. Análises de XPS confirmaram a estabilidade da ligação Ni−P, e a mínima variação de potencial observada nas medições de estabilidade evidenciou a robustez do catalisador em eletrólitos neutros e alcalinos. Para viabilizar sua aplicação na reação de redução de nitrato, o filme de fosfeto de níquel foi depositado em papel de carbono e funcionalizado com nanoplacas de δ-FeOOH. Essa modificação resultou na formação de heteroestruturas CP/Ni−P/δ-FeOOH, que demonstraram alta eficiência na conversão de nitrato em amônia, suprimindo a RDH e favorecendo a adsorção de NO3⁻. A heteroestrutura atingiu uma eficiência faradaica de 98% ± 0,72 a -0,3 V vs. RHE, com uma taxa de produção de NH₃ de 8,49 mg h⁻1 cm⁻2. A estabilidade foi mantida por 12 ciclos consecutivos, mesmo com o uso de um binder verde e não tóxico, preservando a modificação superficial. O δ-FeOOH estabilizou intermediários por meio de interações de hidrogênio com grupos -OH da estrutura, controlando a formação de Hads e promovendo a hidrogenação seletiva dos intermediários de NO₃⁻. Paralelamente, a incorporação de estanho (Sn) ao fosfeto de níquel mostrou-se uma abordagem estratégica para a co-redução de CO2 e NO3⁻, redirecionando a seletividade para a produção de monóxido de carbono e suprimindo a RDH competitiva. A adição de Sn levou à formação de depósitos compostos por nanopartículas cúbicas de fosfeto de níquel e estanho, favorecendo também a síntese de ureia, com eficiência faradaica de até 62%. A sinergia entre os sítios ativos de Sn e Ni possibilitou a ativação simultânea de CO2 e NO3⁻, promovendo o acoplamento de intermediários. Este estudo destaca o grande potencial dos fosfetos de níquel modificados para aplicações catalíticas, contribuindo para a produção sustentável de produtos de alto valor agregado, como ureia, amônia e H2, a partir de moléculas abundantes. | |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.description.sponsorship | Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo n° 2020/11756-2, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) | |
| dc.description.sponsorshipId | Processo n° 2022/15742-1, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) - Estágio BEPE | |
| dc.description.sponsorshipId | 141431/2020-2, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | |
| dc.identifier.citation | SILVA, Anelisse Brunca da. Explorando a versatilidade dos fosfetos de níquel na redução eletroquímica de moléculas de interesse energético e ambiental. 2024. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21581. | por |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.14289/21581 | |
| dc.language.iso | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | |
| dc.publisher.address | Campus São Carlos | |
| dc.publisher.initials | UFSCar | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Química - PPGQ | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | |
| dc.subject | Fosfeto de níquel | |
| dc.subject | Reação de desprendimento de hidrogênio | |
| dc.subject | Redução eletroquímica de nitrato | |
| dc.subject | Redução simultânea de nitrato e dióxido de carbono | |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA | |
| dc.title | Explorando a versatilidade dos fosfetos de níquel na redução eletroquímica de moléculas de interesse energético e ambiental | |
| dc.title.alternative | Exploring the versatility of nickel phosphides in the electrochemical reduction of molecules of energy and environmental interest T | eng |
| dc.type | Tese |
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