Utilização de nanopartículas bimetálicas PdCu na produção de energia limpa e renovável

Abstract

Nanopartículas bimetálicas Pd-Cu suportadas em carbono, contendo diferentes proporções de paládio e cobre foram desenvolvidas e testadas como eletrocatalisadores. Estes materiais foram utilizados na reação de evolução de hidrogênio em meio ácido e na reação de redução de oxigênio em meio básico, visando entender seu comportamento eletroquímico e estabelecer uma correlação entre suas propriedades estruturais e eletrônicas com suas atividades eletrocatalíticas. Todos eletrocatalisadores Pd-Cu foram ativos na produção de hidrogênio. A densidade de corrente de troca (i0) para composição PdCu foi da ordem de 470 μA cm-2 , sugerindo elevada atividade catalítica na reação, enquanto a composição rica em cobre apresentou i0 ~ 317 μA cm-2 . Tratamentos térmicos suaves em ar e em vácuo foram aplicados em eletrodos preparados com o eletrocatalisador rico em Cu, a fim de melhorar sua atividade na reação de evolução de hidrogênio. Enquanto o tratamento em ar aumentou a atividade na reação (i0 ~ 810 μA cm-2 ) e favoreceu a formação de óxido de Cu, o tratamento em vácuo reduziu a atividade (i0 ~ 77 μA cm-2 ) e favoreceu a ligação do Cu das nanopartículas com flúor. A camada de óxido favoreceu a lixiviação, promovendo a catálise, enquanto a camada de Cu-F diminuiu a atividade do material ante a reação. Os eletrocatalisadores estudados também apresentaram desempenho comparável ao Pd puro na reação de redução de oxigênio em meio básico. Contudo, as diferentes proporções de Pd e Cu não promoveram diferenças significativas na atividade dos eletrocatalisadores na reação. Assim, o eletrocatalisador PdCu3 se destaca por combinar atividade tanto na produção de hidrogênio quanto na redução de oxigênio, com economia de paládio.

Carbon-supported Pd-Cu bimetallic nanoparticles containing different proportions of palladium and copper were developed and tested as electrocatalysts. These materials were used in the hydrogen evolution reaction in an acidic medium and in the oxygen reduction reaction in a basic medium, seeking to understand their electrochemical behaviour and establish a correlation between their structural and electronic properties with their electrocatalytic activities. All Pd-Cu electrocatalysts were active in hydrogen production. The exchange current density (i0) for PdCu composition was around 470 μA cm-2 , suggesting high catalytic activity in the reaction, while the Cu rich composition showed i0 ~ 317 μA cm-2 . Soft thermal treatments in air and vacuum were applied to electrodes prepared with the Cu-rich electrocatalyst, to improve their activity in the hydrogen evolution reaction. While the air treatment increased the activity in the reaction (i0 ~ 810 μA cm-2 ) and favoured the formation of Cu oxide, the vacuum treatment reduced the activity (i0 ~ 77 μA cm-2 ) and favoured the Cu binding of the nanoparticles with fluorine. The oxide layer favoured leaching, promoting catalysis, while the Cu-F layer decreased the material's activity in the reaction. The studied electrocatalysts also presented performance comparable to pure Pd in the oxygen reduction reaction in a basic medium. However, the different proportions of Pd and Cu did not promote significant differences in the activity of the electrocatalysts in the reaction. Thus, the PdCu3 electrocatalyst stands out for combining activity in both hydrogen production and oxygen reduction, with palladium savings.