Orientadores: Claudia Longo, Ennio Peres da Silva

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química

Resumo: Com a motivação de aumentar a eficiência de catodos para a eletrólise alcalina da água, investigaram-se as propriedades de eletrodos de níquel fosco e níquel-zinco poroso na reação de desprendimento de hidrogênio (RDH). O eletrodo de Ni fosco foi preparado pela eletrodeposição de um filme de...

Resumo: Com a motivação de aumentar a eficiência de catodos para a eletrólise alcalina da água, investigaram-se as propriedades de eletrodos de níquel fosco e níquel-zinco poroso na reação de desprendimento de hidrogênio (RDH). O eletrodo de Ni fosco foi preparado pela eletrodeposição de um filme de Ni em substrato de aço carbono. No eletrodo de Ni-Zn, depositou-se inicialmente um filme de ca. 5 mm de Ni fosco e a seguir um codepósito de Ni-Zn. A seguir, os eletrodos foram mantidos por 24 h em solução aquosa de NaOH. Os filmes resultantes, com espessura de ca. 20 mm, apresentaram estrutura cristalina e superfície uniforme. Análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV) revelaram que o filme de Ni era constituído por grãos piramidais; no filme de Ni-Zn, identificaram-se partículas arredondadas em uma superfície porosa e com rachaduras. A superfície porosa resultou da remoção parcial do Zn, confirmada em mapeamento por energia dispersiva de raios X (EDS), devido à formação de hidróxidos solúveis durante o tratamento alcalino. As propriedades eletroquímicas, investigadas a 25 °C em solução aquosa de KOH por voltametria cíclica, medidas de Tafel e espectroscopia de impedância eletroquímica revelaram que, comparado ao eletrodo de Ni, o eletrodo de Ni-Zn poroso apresentou maiores valores de constante de transferência de carga (0,34 e 0,46) e densidade de corrente de troca (1,4 e 5,5 mA cm), além de menores valores para a resistência à transferência de carga (120 e 85 W ) e sobrepotencial para a RDH. O desempenho dos eletrodos como catodos na eletrólise alcalina da água foi avaliado sob controle galvanostático a -100 mA cm, em modo intermitente, por 88 h (ciclos de 8 h em 11 dias). Inicialmente, os potenciais de operação corresponderam a -1,5 e -1,3 V para os eletrodos de Ni e de Ni-Zn poroso; o sobrepotencial para a RDH variou no período, e, após 88 h, resultou em -1,53 e -1,43 V respectivamente. Análises por MEV revelaram alterações na morfologia dos filmes, principalmente para o eletrodo poroso; no mapeamento por EDS, observou-se menor teor de Zn e identificou-se a presença de óxidos. De modo geral, conclui-se que o eletrodo de Ni-Zn poroso pode ser considerado um catodo promissor para aplicação em eletrolisadores, por apresentar menor gasto de energia que o eletrodo de Ni para manter uma dada produção de hidrogênio

Abstract: Motivated to improve the efficiency of cathodes for alkaline water electrolysis, the properties of nickel Watts and porous nickel-zinc electrodes for hydrogen evolution reaction (HER) were investigated. The Ni Watts electrode was prepared by electrodepositing a Ni film on a carbon steel...

Abstract: Motivated to improve the efficiency of cathodes for alkaline water electrolysis, the properties of nickel Watts and porous nickel-zinc electrodes for hydrogen evolution reaction (HER) were investigated. The Ni Watts electrode was prepared by electrodepositing a Ni film on a carbon steel substrate. Preparation of the Ni-Zn electrode comprised firstly the deposition of a Ni film (5 mm thick) followed by the co-deposition of Ni-Zn. The electrodes were then maintained for 24 h at NaOH aqueous solution. The resulting films, ca. 20 mm thick, exhibited crystalline structure and uniform surface. Scanning electron microscopy (SEM) revealed that the Ni film consisted of pyramidal grains; for the Ni-Zn film, rounded particles were identified in a porous surface with cracks. The porous surface resulted from the partial Zn removal, as confirmed by mapping energy dispersive X-ray (EDS), due to the production of soluble hydroxides during the alkaline treatment. The electrochemical properties, investigated at 25 °C in aqueous KOH solution by cyclic voltammetry, Tafel measurements and electrochemical impedance spectroscopy revealed that, compared to the Ni Watts electrode, the porous Ni-Zn electrode exhibited higher values for the charge transfer constant (0.34 and 0.46) and exchange current density (1.4 and 5.5 mA cm), and lower values for the resistance to charge transfer (120 and 85 W) and overpotential for the HER. The electrodes performance as cathodes in alkaline water electrolysis was evaluated under galvanostatic control at -100 mA cm, in intermittent mode, for 88 h (8 h cycles, 11 days). Initially, the operating potential corresponded to -1.5 and -1.3 V for Ni and Ni-Zn porous electrodes; the HER overpotential varied in the period and, after 88 h, resulted in -1.53 and -1, 43 V respectively. SEM analysis revealed morphological changes for the films surface, mainly for the porous electrode. From EDS mapping, a lower Zn concentration was observed; also, oxides were identified. Thus, the porous Ni-Zn electrode can be considered a promising cathode for electrolyzers since, when compared to the Ni Watts electrode, lower energy is necessary to maintain the hydrogen production under galvanostatic control