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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13244 (2023) Citar este artigo

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Para usar efetivamente o glicerol como combustível em células a combustível de glicerol direto, é necessário um catalisador que possa quebrar a ligação C – C e aumentar a eletro-oxidação do glicerol em CO2. Nesta investigação particular, um nanocompósito de paládio-níquel-estanho eletrodepositado sobre um eletrodo de carbono vítreo (PdNiSn/GC) exibiu excelente atividade na eletrooxidação do glicerol, graças ao efeito sinérgico da composição catalítica. A superfície de PdNiSn/GC gerou uma corrente de pico (Ip) 2,5 vezes maior que a obtida em um eletrodo de Pd/GC, com um deslocamento catódico no potencial de início (Eonset) de aproximadamente 300 mV. Além disso, a corrente obtida na superfície do PdNiSn/GC permaneceu estável durante a eletrólise contínua. Medições de capacitância foram utilizadas para interpretar os resultados da atividade eletrocatalítica, e a cromatografia líquida de alta eficiência indicou que os produtos da reação de eletrooxidação do glicerol eram ácido oxálico e ácido fórmico, que foram posteriormente oxidados a CO2, conforme revelado pelos cálculos de carga . Os resultados mostram que a sinergia entre Pd, β-Ni (OH) 2 e SnO2 é crucial para aumentar o GEOR através do aumento da clivagem da ligação C – C e da oxidação completa dos intermediários da reação em CO2.

A expansão contínua das actividades comerciais e o aumento gradual do crescimento populacional aumentaram directamente a procura de energia e exigiram a procura de recursos energéticos alternativos aos combustíveis fósseis. Entre eles, a utilização eficiente de combustíveis químicos em células de combustível tem um grande potencial para contribuir para sistemas energéticos eficientes e com emissão zero de CO21.

Considerando os diferentes tipos de células a combustível, as células a combustível com membrana eletrolítica polimérica oferecem inúmeros benefícios em relação aos outros tipos de células a combustível, por exemplo; alta densidade de energia, rápida liberação de energia; insensibilidade ao CO2 permitindo o uso do ar como oxidante e operando em temperaturas moderadas (75–150 °C)2,3.

O uso de álcoois, em particular glicerol, na célula a combustível de álcool direto é um alvo interessante para o combustível em tal esquema. A reação de eletrooxidação do glicerol (GEOR) poderia ocorrer na superfície dos eletrocatalisadores através da oxidação de seus grupos hidroxila para gerar energia elétrica . Além disso, o GEOR produz alta densidade de energia teórica de 6 kWh kg-1, é não inflamável e não volátil5, e possui baixa taxa de cruzamento através da membrana quando comparado ao metanol6. Além disso, o GEOR seletivo poderia produzir intermediários de valor agregado. Assim, outro aspecto promissor do GEOR é a eletrossíntese de moléculas de valor agregado como; ácido glicérico, ácido tartrônico, mesoxalato e 1,3-dihidroxiacetona7,8,9.

O glicerol é um produto comum da indústria de biodiesel que produz aproximadamente centenas de milhões de quilogramas de glicerol a cada ano, tornando-o um combustível disponível e de baixo preço10,11,12,13. Além disso, o glicerol é considerado uma boa fonte para produção de hidrogênio14,15. A termodinâmica mostra que a reação de eletrooxidação do glicerol (GEOR) no compartimento anódico dos DGFCs é energeticamente mais eficiente que a reação de evolução do oxigênio (OER) na célula de eletrólise para a produção de hidrogênio . GEOR ocorre no compartimento anódico dos DGFCs produzindo prótons e dióxido de carbono, enquanto os prótons são reduzidos no compartimento catódico produzindo hidrogênio, como mostrado nas Eqs. 1–311.

No entanto, a oxidação eficiente e completa do glicerol em CO2 nas células a combustível diretas de glicerol (DGFCs) ainda é um grande desafio, pois este processo é multielétron e multipróton que requer clivagem da ligação C – C (grande desafio na eletrocatálise).

O eletrocatalisador de Pt foi considerado o catalisador mais eficiente para o DGFC devido à sua alta atividade , porém, a produção do intermediário CO envenenado em sua superfície durante o esquema de oxidação do glicerol, juntamente com seu alto custo, limitou seu uso16,20,21. Isto motivou o uso de eletrocatalisadores alternativos, por exemplo, Pd, Ag e Ni, a fim de aumentar o desempenho do DGFC. Nesse sentido, os eletrocatalisadores à base de Pd são considerados bons candidatos para o DGFC devido às suas vantagens sobre os eletrocatalisadores à base de Pt . O Pd apresenta melhor atividade na oxidação de álcoois em meio alcalino do que a Pt22,23,24,25. Além disso, a chance de envenenamento do eletrodo por monóxido de carbono adsorvido (COads) em meio alcalino é menor do que no meio ácido, pois os intermediários quimissorvidos se ligam fracamente à superfície do catalisador e a quantidade de espécies envenenadas é menor em meio alcalino .