Valorização do carvão mineral catarinense: desenvolvimento de eletrodos de óxido de grafeno para células a combustível microbiológicas

Abstract

O aumento do consumo de energia e de água, impulsionados pelo desenvolvimento econômico e populacional, tem gerado impactos significativos, como o aquecimento global e a escassez hídrica. Nesse contexto, as células de combustíveis microbiológicas (CCM) destacam-se por aliar o tratamento de águas residuais à geração de energia. No entanto, ainda existem desafios técnicos e econômicos, principalmente em relação aos materiais utilizados nos eletrodos do ânodo. Esse componente deve apresentar propriedades como: resistência mecânica, condutividade elétrica, alta área superficial e biocompatibilidade. Normalmente, são utilizados materiais de suporte para o eletrodo como tecidos de carbono, papel carbono, escovas de carvão, dentre outros, que têm um custo relativo. A celulose bacteriana (CB) é um material alternativo e que, assim como os citados, pode ser funcionalizada com outros componentes para atribuir-lhe características importantes para um bom eletrodo. Dentre esses, o óxido de grafeno destaca-se pelas suas características condutoras, alta área superficial e boas propriedades mecânicas. No entanto, sua obtenção atualmente é restrita à disponibilidade do grafite natural ou à síntese a partir do grafite sintético que implica em custos altos. O carvão mineral pode ser utilizado como rota alternativa para fabricação de óxido de grafeno, permitindo uma utilização mais limpa e eficiente desse recurso não renovável. Assim, este trabalho teve como objetivo geral desenvolver um eletrodo com material de suporte alternativo de CB funcionalizada com óxido de grafeno fabricado a partir do carvão mineral catarinense e comparar seu desempenho com o óxido de grafeno comercial. Alternativamente, devido às características isolantes da CB, foi investigada a sua modificação com um polímero condutor, a polianilina (PANI). Para a caracterização dos eletrodos desenvolvidos, foram utilizadas a Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Difração de raios-X (DRX), Análise Termogravimétrica (TG) e Voltametria Cíclica (VC) para análise eletroquímica. A condutividade elétrica foi determinada por meio do método de 4 pontas, obtendo valores de até 2,33 x 10-4 S.cm-1 para o eletrodo baseado em CB-PANI-OG-Car. Já para o OG-Com, o melhor resultado em termos de condutividade foi para a CB-PANI-rOG-Com, atingindo até 4,86 x 10-1 S.cm-1. Foi possível identificar as bandas características da CB-PANI, assim como de ambos os OG utilizados, após a sua adição no material, a partir do FTIR. O OG-Car apresentou características morfológicas distintas ao compará-lo com o comercial, que formou um filme contínuo sobre as amostras de CB e o OG-Car, depositou-se na forma de particulados nas fibras. A CCM foi avaliada pelo monitoramento da diferença de potencial, sendo os materiais testados como ânodo em cultura pura de E. coli. Conclui-se que, apesar dos eletrodos desenvolvidos terem obtido um incremento considerável na condutividade e resposta eletroquímica, em relação à CB, ainda são necessárias otimizações para melhorar o seu desempenho nas CCMs.

Abstract: The increase in energy and water consumption, driven by economic and population growth, has generated significant impacts, such as global warming and water scarcity. In this context, microbial fuel cells (MFCs) stand out for combining wastewater treatment with energy generation. However, technical and economic challenges still remain, especially regarding the materials used in anode electrodes. This component must present properties such as mechanical strength, electrical conductivity, high surface area, and biocompatibility. Commonly, support materials such as carbon cloth, carbon paper, and carbon brushes, among others, are used for electrodes, but these have a relatively high cost. Bacterial cellulose (BC) is an alternative material that, like those mentioned above, can be functionalized with other components to provide important characteristics for a good electrode. Among these components, graphene oxide stands out due to its conductive characteristics, high surface area, and good mechanical properties. However, its production is currently restricted to the availability of natural graphite or synthesis from synthetic graphite, which involves high costs. Coal can be used as an alternative route for graphene oxide production, enabling a cleaner and more efficient use of this non-renewable resource. Thus, the overall objective of this work was to develop an electrode with an alternative support material based on BC functionalized with graphene oxide produced from coal from Santa Catarina (Brazil) and to compare its performance with commercial graphene oxide. Additionally, due to the insulating characteristics of BC, its modification with a conductive polymer, polyaniline (PANI), was investigated. To characterize the developed electrodes, Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), and Cyclic Voltammetry (CV) were used for electrochemical analysis. Electrical conductivity was determined using the four-point probe method, reaching values of up to 2.33 × 10?4 S·cm?¹ for the BC-PANI-OG-Car-based electrode. For commercial graphene oxide (OG-Com), the best conductivity result was obtained for BC-PANI-rOG-Com, reaching up to 4.86 × 10?¹ S·cm?¹. FTIR analysis made it possible to identify the characteristic bands of BC-PANI, as well as those of both graphene oxides used after their incorporation into the material. OG-Car showed distinct morphological characteristics when compared to the commercial material, which formed a continuous film over the BC samples, whereas OG-Car was deposited as particulates on the fibers. The MFC was evaluated by monitoring the potential difference, with the materials tested as anodes in a pure E. coli culture. It was concluded that, although the developed electrodes showed a considerable increase in conductivity and electrochemical response compared to BC, further optimization is still required to improve their performance in MFCs.