Eletrodos de cobre funcionalizados com óxido de grafeno: síntese e caracterização visando aplicação na redução eletroquímica de CO2

Abstract

O aumento das concentrações de CO2 na atmosfera constitui um problema climático global, envolvendo dimensões políticas, econômicas, sociais e ambientais. Dentre as alternativas para mitigação, a Redução Eletroquímica de CO2 (RECO2) surge como uma estratégia promissora, capaz de converter CO2 em produtos e combustíveis de valor agregado. No entanto, ainda existem desafios relacionados ao desenvolvimento de catalisadores eficientes e seletivos. Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de eletrodos de cobre (Cu) funcionalizados com óxido de grafeno (OG), obtido a partir de carvão mineral catarinense, visando aplicação no processo de RECO2. Para fins comparativos, também foram produzidos eletrodos de Cu puro e modificado com sulfato de cobre (ii) penta-hidratado (CuSO4·5H2O), visando avaliar os efeitos da adição de OG. A suspensão contendo os materiais ativos foi depositada sobre a folha de Cu, e a redução eletroquímica do nanocompósito ocorreu por voltametria cíclica (VC). A caracterização estrutural e morfológica dos eletrodos foi realizada por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS), espectroscopia no infravermelho por transformada de fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). O desempenho eletroquímico foi avaliado por meio das técnicas de voltametria cíclica (VC), voltametria linear (VL) e cronoamperometria (CA). As análises confirmaram a modificação da superfície dos eletrodos, com deposição heterogênea da suspensão. O Cu-OGr obteve os melhores resultados eletroquímicos, com densidade de corrente de até -3,091 mA·cm⁻² (VC) e -2,782 mA·cm⁻² (VL). Os testes de CA indicaram baixa atividade em todas as amostras, sugerindo necessidade de otimização na deposição das suspensões dos materiais. Apesar das limitações, o eletrodo Cu-OGr se mostra uma aplicação promissora ao empregar OG derivado de carvão mineral como componente ativo, com potencial para uso futuro na RECO2 e contribuição à transição energética.

The increase in CO2 concentrations in the atmosphere is a global climate problem, involving political, economic, social and environmental dimensions. Among the alternatives for mitigation, the Electrochemical Reduction of CO2 (RECO2) has emerged as a promising strategy, capable of converting CO2 into value-added products and fuels. However, there are still challenges related to the development of efficient and selective catalysts. This work proposes the development of copper (Cu) electrodes functionalized with graphene oxide (OG), obtained from Santa Catarina coal, for application in the RECO2 process. For comparative purposes, pure Cu electrodes modified with copper (ii) sulfate pentahydrate (CuSO4·5H2O) were also produced to evaluate the effects of adding OG. The suspension containing the active materials was deposited on the Cu foil, and the electrochemical reduction of the nanocomposite took place by cyclic voltammetry (CV). The structural and morphological characterization of the electrodes was carried out using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM). The electrochemical performance was evaluated using cyclic voltammetry (CV), linear voltammetry (LV) and chronoamperometry (CA) techniques. The analyses confirmed the modification of the electrode surface, with heterogeneous deposition of the suspension. Cu-OGr obtained the best electrochemical results, with current densities of up to -3.091 mA-cm-2 (CV) and -2.782 mA-cm-2 (LV). The AC tests indicated low activity in all the samples, suggesting the need to optimize the deposition of the material suspensions. Despite its limitations, the Cu-OGr electrode is a promising application for using coal-derived OG as an active component, with potential for future use in RECO2 and contribution to the energy transition.