Aços inoxidáveis e líquido iônico de ácido tetra-alquilamôniosulfônico para produção de hidrogênio via eletrólise da água
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Data
2025-09-18
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Resumo
O hidrogênio produzido pela eletrólise da água, e utilizado como vetor energético, se apresenta como umas das principais alternativas no processo de transição para uma economia de baixo carbono. Entre as tecnologias possíveis para a produção de hidrogênio, o uso de líquidos iônicos (LI) como eletrólitos na eletrólise da água oferece características atrativas, tais como estabilidade química e eletroquímica e alta condutividade. Os aços inoxidáveis têm sido investigados como eletrodos devido ao seu baixo custo, boa estabilidade e proteção contra corrosão. O objetivo deste trabalho foi avaliar a produção do hidrogênio, por meio da eletrólise da água, utilizando o líquido iônico tetrafluoroborato de ácido 3-trietilamônio-propanossulfônico (TEA-PS.BF4) como eletrólito e aços inoxidáveis 304, 316 L e 430 como eletrodos, em uma célula de Hoffman. O líquido iônico TEA-PS.BF4 foi sintetizado e caracterizado por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier. A produção de hidrogênio foi avaliada por cronoamperometria utilizando, primeiramente, solução de 0,3 M de KOH como eletrólito e posteriormente soluções de líquido iônico TEA-PS.BF4 nas concentrações de 0,1, 0,3 e 0,7 M, em diferentes potenciais e temperaturas. Os eletrodos foram comparados antes e depois da eletrólise, por microscopia eletrônica de varredura. Resultados mostraram densidades de corrente na faixa de 70 a 510 mA cm-2 em uma solução de KOH 0,3 M. Por outro lado, em uma solução de 0,3 M de TEA-PS.BF4, a densidade de corrente apresentou valores variando entre 235 a 1144 mA cm-2. O valor máximo de densidade de corrente foi obtido com o aço inoxidável 304, em solução de 0,7 M de TEA-PS.BF4, sob uma polarização de -2,0 V, contra eletrodo de platina e temperatura de 353 K, atingindo 1595 mA cm-2. Verificou-se que o aço 316 L apresentou estabilidade durante todos os ensaios, enquanto os aços 304 e 430 demonstraram degradação quando expostos ao eletrólito contendo TEA-PS.BF4. O estudo demonstrou ainda que, à medida que o potencial aplicado se torna mais negativo, ocorre uma redução na energia de ativação e um aumento na densidade de corrente para a produção de hidrogênio. Sob uma polarização de -2,0 V e concentrações de 0,1 e 0,7 M de TEA-PS.BF4, o aço inoxidável 316 L apresentou energias de ativação de 9 e 6 kJ mol-1, respectivamente. A utilização conjunta do eletrodo de aço inoxidável 316 L e a solução de líquido iônico TEA-PS.BF4 demonstrou ser um método promissor de produção de hidrogênio, com notável potencial para impulsionar a geração de energia limpa e renovável.
Resumen
El hidrógeno producido por la electrólisis del agua, y utilizado como vector energético, se presenta como una de las principales alternativas en el proceso de transición hacia una economía baja en carbono. Entre las posibles tecnologías para la producción de hidrógeno, el uso de líquidos iónicos (LI) como electrolitos en la electrólisis del agua ofrece características atractivas, como estabilidad química y electroquímica y alta conductividad. Los aceros inoxidables han sido investigados como electrodos debido a su bajo coste, buena estabilidad y protección contra la corrosión. El objetivo de este trabajo fue evaluar la producción de hidrógeno, mediante electrólisis de agua, utilizando el ácido 3-trietilamonio-propanosulfónico líquido tetrafluoroborato (TEA-PS.BF4) como electrolito y aceros inoxidables 304, 316 L y 430 como electrodos, en. una celda de Hoffman. El líquido iónico TEAPS.BF4 fue sintetizado y caracterizado mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier. La producción de hidrógeno se evaluó mediante cronoamperometría utilizando, en primer lugar, una solución de KOH 0,3 M como electrolito y posteriormente soluciones de TEA-PS.BF4 a concentraciones de 0,1, 0,3 y 0,7 M, a diferentes potenciales y temperaturas. Los electrodos se compararon antes y después de la electrólisis, mediante microscopía electrónica de barrido. Los resultados mostraron densidades de corriente en el rango de 70 a 510 mA cm-2 en una solución de KOH 0,3 M. Por otro lado, en una solución de TEA-PS.BF4 0,3 M, la densidad de corriente mostró valores que oscilaron entre 235 y 1144 mA cm-2 . El valor máximo de densidad de corriente se obtuvo con acero inoxidable 304, en una solución de TEA-PS.BF4 0,7 M, bajo una polarización de -2,0 V, contraelectrodo de platino y temperatura de 353 K, alcanzando 1595 mA cm-2 . Se encontró que el acero 316 L presentó estabilidad durante todas las pruebas, mientras que los aceros 304 y 430 demostró degradación cuando se expuso al electrolito que contenía TEA-PS.BF4. El estudio demostró además que, a medida que el potencial aplicado se vuelve más negativo, hay una reducción en la energía de activación y un aumento en la densidad de corriente para la producción de hidrógeno. Bajo una polarización de -2,0 V y concentraciones de 0,1 y 0,7 M de TEA-PS.BF4, el acero inoxidable 316 L mostró energías de activación de 9 y 6 kJ mol-1 , respectivamente. El uso conjunto de un electrodo eléctrico de acero de 316 L y una solución líquida iónica TEA-PS.BF4 se declaró como un método prometedor de producción de hidrógeno, con un notable potencial para generar energía limpia y renovable.
Abstract
Hydrogen produced by water electrolysis, and used as an energy vector, presents itself as one of the main alternatives in the transition process to a low-carbon economy. Among the possible technologies for hydrogen production, the use of ionic liquids (IL) as electrolytes in water electrolysis offers attractive characteristics, such as chemical and electrochemical stability and high conductivity. Stainless steels have been investigated as electrodes due to their low cost, good stability and protection against corrosion. The objective of this work was to evaluate the production of hydrogen, through the electrolysis of water, using the ionic liquid 3-triethylammonium-propanesulfonic acid tetrafluoroborate (TEA-PS.BF4) as electrolyte and stainless steel 304, 316 L and 430 as electrodes, in a Hoffman cell. The ionic liquid TEA-PS.BF4 was synthesized and characterized by Fourier transform infrared spectroscopy. Hydrogen production was evaluated by chronoamperometry using, firstly, a 0.3 M KOH solution as electrolyte and subsequently TEA-PS.BF4 ionic liquid solutions at concentrations of 0.1, 0.3 and 0.7 M, at different potentials and temperatures. The electrodes are compared before and after electrolysis, using scanning electron microscopy. The results show current densities ranging from 70 to 510 mA cm-2 in 0.3 M KOH solution. On the other hand, in a 0.3 M TEA-PS.BF4 solution, the current densities present values ranging from 235 to 1144 mA cm-2 . The maximum value of current density was obtained with 304 stainless steel, in a solution of 0.7 M TEAPS.BF4, under polarization of -2.0 V, platinum counter electrode and a temperature of 353 K, reaching 1595 mA cm-2 . It was found that the 316 L steel showed stability during all tests, while the 304 and 430 steels demonstrated degradation when exposed to the electrolyte containing TEA-PS.BF4. The study further demonstrated that, as the applied potential becomes more negative, there is a reduction in activation energy and an increase in current density for hydrogen production. Under a polarization of -2.0 V and concentrations of 0.1 and 0.7 M of TEA-PS.BF4, 316 L stainless steel showed activation energies of 9 and 6 kJ mol -1 , respectively. The joint use of the 316 L stainless steel electrode and the TEA-PS.BF4 ionic liquid solution proved to be a promising method of hydrogen production, with notable potential to boost the generation of clean and renewable energy.
Descrição
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação Interdisciplinar em Energia e Sustentabilidade da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Mestra em Energia e Sustentabilidade.
Palavras-chave
cronoamperometria, eletroquímica, eletrólitos, eletrodos