Aerogel de nanocelulose bacteriana e grafite para aplicação como eletrodo em células a combustível microbianas

Abstract

Devido a crescente preocupação do ser humano com a finitude de recursos energéticos, movida principalmente pelas alterações climáticas globais, a busca por alternativas tecnológicas ambientalmente amigáveis e capazes de gerar energia vem ganhando cada vez mais espaço no cenário científico. Neste contexto, as células a combustível microbianas (CCMs) surgem como uma alternativa interessante pelo fato de serem capazes de converter energia química em energia elétrica de maneira eficiente, com baixa emissão de gases de efeito estufa, sendo caracterizadas como uma tecnologia ambientalmente amigável. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um aerogel constituído de nanocelulose bacteriana (NCB) e grafite, reticulados com íons Fe3+ para ser aplicado como eletrodo em CCMs. Hidrogéis de NCB foram triturados, misturados com flocos de grafite, reticulados eletrostaticamente com íons Fe3+, e liofilizados. O aerogel obtido apresentou elevada porosidade (aproximadamente 75%), bem como elevada absorção de água. Comparando com um aerogel de NCB pura, verificou-se que a introdução de grafite aumenta a densidade do aerogel e diminui sua porosidade. Na análise morfológica do aerogel por microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi possível visualizar as partículas de grafite incorporadas entre as nanofibras de celulose, conferindo uma estrutura altamente porosa e heterogênea ao material. Através da espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foi possível evidenciar a interação entre íons Fe3+ e nanofibras de celulose. O ensaio de calorimetria exploratória diferencial (DSC) permitiu identificar um pico endotérmico e exotérmico no material analisado 114,43 °C e em 368 ºC, respectivamente. A resistividade elétrica determinada pelo método de quatro pontas foi de 2352,64 O cm, demonstrando que o aerogel apresenta capacidade de conduzir elétrons. O aerogel foi utilizado como eletrodo anódico em uma CCM, sendo o máximo de 108,77 mV e uma densidade de potência máxima de 1,97 mW m-². Os resultados obtidos evidenciam que foi possível obter um aerogel de NCB-grafite com estrutura porosa, baixa densidade e boa capacidade de absorção de água, biocompatibilidade, contendo características apropriadas para a adesão microbiana, apresentando grande potencial para aplicação como eletrodo em CCMs.

Abstract: Due to the growing concern of human beings with the finitude of energy resources, driven mainly by global climate change, the search for environmentally friendly technological alternatives capable of generating energy is gaining more and more space in the scientific scenario. In this context, microbial fuel cells (MFCs) emerge as an interesting alternative because they can convert chemical energy into electrical energy efficiently, with low emission of greenhouse gases, being characterized as an environmentally friendly technology. The objective of this work is the development of an aerogel consisting of bacterial nanocellulose (BNC) and graphite, cross-linked with Fe3+ ions to be applied as an electrode in MFCs. BNC hydrogels were crushed, mixed with graphite flakes, electrostatically cross-linked with Fe3+ ions, and lyophilized. The aerogel obtained showed high porosity (approximately 75%), as well as high water absorption. When compared with a pure BNC aerogel, it was verified that the introduction of graphite increases the density of the aerogel and decreases its porosity. In the morphological analysis of the aerogel by scanning electron microscopy (SEM), it was possible to visualize the graphite particles incorporated between the cellulose nanofibers, giving the material a highly porous and heterogeneous structure. Through Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) it was possible to demonstrate the interaction between Fe3+ ions and cellulose nanofibers. The differential scanning calorimetry (DSC) test identified an endothermic and exothermic peak in the analyzed material at 114.43 °C and 368 °C, respectively. The electrical resistivity determined by the four-point method was 2352.64 O cm, demonstrating that the aerogel can conduct electrons. The aerogel was used as the anode electrode in an MFC, with a maximum of 108.77 mV and a maximum power density of 1.97 mW m-². The results show that it was possible to obtain an BNC-graphite aerogel with a porous structure, low density and good water absorption capacity, biocompatibility, containing appropriate characteristics for microbial adhesion, presenting great potential for application as an electrode in MFCs.