Resumo: A contaminação da água representa uma ameaça significativa para a organismos vivos. A ampla gama de produtos químicos introduzidos por atividades agrícolas, industriais e domésticas cria um desafio na busca por métodos confiáveis para remover esses contaminantes em matrizes complexas. Superar esses desafios é crucial para garantir o fornecimento de água limpa. Métodos eletroquímicos, incluindo redução e oxidação eletrocatalíticas, oferecem vantagens, tais como configurações adaptáveis para tratar diferentes fontes de água contaminada, controlabilidade de parametros e capacidade de degradar contaminantes específicos. Além disso, a utilização de energia renovável para alimentar esses sistemas, combinada com a conversão de poluentes como nitrato em amônia, oferece uma solução sustentável e descarbonizada para a produção de produtos químicos. No entanto, o processo eletrocatalítico ainda sofre com baixa eficiência, o que está intimamente relacionado aos eletrocatalisadores utilizados nessas reações. Além disso, alterações na composição e estrutura desses eletrocatalisadores podem impactar significativamente seu desempenho. Portanto, entender os processos que causam essas mudanças e potencialmente levam à falha do material é critico para melhorar as propriedades dos materiais aplicados na remediação de água. Diante disto, nesta tese, serão apresentadas algumas reações de interesse para o desenvolvimento do processo eletroquímico de limpeza de água, os estudos serão especificamente sobre a compreensão da correlação entre a atividade e a estabilidade de óxidos metálicos. Na primeira parte do trabalho, descrita no Capítulo 2, monitoramos sistematicamente as alterações dinâmicas nas características químicas e morfológicas de nanocubos de Cu2O durante a reação de eletroredução de nitrato em eletrólito alcalino. Com base nos resultados obtidos, a atividade e a seletividade dos nanocubos de Cu2O não está relacionada a estrutura e composição inicial. Em vez disso, a emergência de uma superfície rica em Cu-OD, que se propaga de camadas mais superficiais para camadas subjacentes ao longo do tempo, acaba desempenhando um papel crucial no mecanismo de reação. Utilizando espectrometria de massa eletroquímica diferencial online (DEMS) e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier in situ (FTIR), investigamos experimentalmente a presença de intermediários chave e subprodutos da reação de redução de nitrato. No Capítulo 3, foi utilizado a técnica eletrodo rotatório de disco anel (RRDE) para identificar e quantificar a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) como O3 e H2O2 durante a oxidação da água. Através da análise da contribuição de corrente atribuída a cada espécie em potenciais definidos, isolamos a corrente parcial dessas espécies. No Capítulo 4 investigamos a correlação entre a produção de ROS e a corrosão de óxidos metálicos. Usando o método desenvolvido no Capítulo 3, monitoramos in situ o desprendimento de oxigênio e a produção de peróxido de hidrogênio, enquanto a estabilidade do eletrodo foi avaliada usando um eletrodo de disco rotatório estacionário (SPRDE) ligado a um espectrômetro de massa de plasma acoplado indutivamente (ICP-MS).Nossos resultados demonstram a importância de entender a relação estrutura-atividade para estrategicamente projetar novos eletrocatalisadores para limpeza de água Ver menos

Abstract: Water contamination poses a significant threat to both environmental and human health. The wide range of chemicals introduced through agricultural, industrial, and domestic activities creates a challenge in finding reliable methods to remove these contaminants in complex matrices. Addressing this challenge is crucial for ensuring a clean water supply. Electrochemical methods, including electrocatalytic reduction and oxidation, offer several advantages such as adaptable setups for different contaminated water sources, controllability, and the ability to target specific contaminants. Additionally, utilizing renewable energy to power these systems, combined with converting pollutants such as nitrate to ammonia, offers a sustainable and decarbonized approach for chemical production. However, the electrocatalytic approach still suffers from low efficiency, which is closely related to the electrocatalyst materials used in these reactions. Additionally, changes in the composition and structure of these electrocatalysts can significantly impact their performance. Therefore, understanding the processes that cause these changes and potentially lead to material failure is critical for improving the properties of material applied for water remediation. In this thesis, some reactions essential to water remediation technology will be presented, with a focus on understanding the correlations between the activity and stability of metal oxides. In the first part of the work, described in the Chapter 2, we systematically monitored the dynamic alterations in the chemical and morphological characteristics of Cu2O nanocubes (NCs) during nitrate electroreduction reaction (NO3RR) in alkaline electrolyte. Based on the results obtained, the activity and selectivity of the initially well-defined Cu2O NCs are not solely dependent on the initial structure. Instead, it underscores the emergence of an OD-Cu rich surface, evolving from near-surface to underlying layers over time, playing a crucial role in the reaction pathways. By employing online differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) and in situ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) we experimentally probed the presence of keys intermediates and byproducts of NO3RR. In Chapter 3 we used the rotating ring disk electrode (RRDE) technique to identify and quantify the generation of reactive oxygen species (ROS) such as O3 and H2O2 during the water oxidation. Through an examination of the current contribution attributed of each species across defined potential we isolated the partial current of these species. In Chapter 4 we investigated the correlation between the anodic production of reactive oxygen species (ROS) and the metal oxide corrosion. Using the method developed in Chapter 3, we monitored in situ the oxygen evolution and hydrogen peroxide, while the electrode stability was accessed by using a Stationary Probe Rotating Disk Electrode (SPRDE) attached to an inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS). Our findings demonstrate the importance of understanding the structure-activity relationship to strategize the design of new electrocatalysts for water remediation Ver menos