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10 de Novembro de 2020

Nova Célula Espectro-eletroquímica para Experimentos In Situ

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Equipamento aprimora a investigação de materiais para células a combustível, baterias e eletrolisadores, entre outros


Os combustíveis fósseis são a principal fonte de energia no mundo. No entanto, a busca por fontes de energia limpa, renovável e barata tem se intensificado, especialmente com o crescente consenso de que a elevação na temperatura média do planeta é causada pela ação humana. Nesse contexto, os dispositivos eletroquímicos, que envolvem reações para a transformação de energia química em energia elétrica, surgem como uma opção viável aos combustíveis fósseis.

Dentre esses disponíveis inclui-se as células a combustível e as baterias, capazes de converter a energia química das moléculas em energia elétrica e armazená-la, e os eletrolisadores capazes de converter moléculas de baixo custo em moléculas mais atrativas economicamente, como a conversão da água em gás hidrogênio. Dessa forma, para melhorar o desempenho desses e de outros dispositivos eletroquímicos é imprescindível compreender os processos que ocorrem entre seus componentes, mais precisamente na interação entre os eletrodos e o eletrólito.

Por isso, pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), em colaboração com pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e da Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR), desenvolveram uma célula eletroquímica [1] com o objetivo de realizar vários tipos de experimentos in situ. Esses experimentos permitem o acesso direto à dinâmica das reações eletroquímicas em tempo real e possibilitam compreender os processos que ocorrem no sistema no ponto de vista atômico e molecular. Dessa forma, é possível otimizar os materiais que fazem parte tanto das células a combustível, baterias e eletrolisadores mencionados, como também de dispositivos como supercapacitores e sensores eletroquímicos, entre outros.

A célula desenvolvida pelo grupo, mostrada na Figura 1, é uma célula eletroquímica versátil, que pode ser usada em experimentos envolvendo diversas técnicas, tais como, espectroscopia Raman in situ, espectroscopia por infravermelho in situ, absorção e difração de raios X, entre outros, além de ser compatível com a resposta eletroquímica obtida nas células de laboratório. Assim, ela torna é possível realizar todo tipo de caracterização de materiais por diferentes técnicas experimentais utilizando uma única célula eletroquímica.

Figura 1: (A-B) Desenhos esquemáticos do CE: (1) tampa roscada; (2) abertura para passar o feixe de radiação e, no caso de um experimento fotoeletroquímico, para iluminar o eletrodo com um simulador solar ou LEDs, (3) janela, (4, 5 e 17) anilha de borracha, (6 e 16 ) Contra Eletrodo, (7) corpo CE – parte 1, (8) câmara para o eletrólito, o Contra Eletrodo e o Eletrodo de referencia, (9, 11 e 13) entrada e saída de eletrólito, (10) entrada Eletrodo de trabalho, (12) entrada Eletrodo de referencia, (14) Eletrodo de referencia, (15) entrada Contra Eletrodo, (18) parafuso, (19) corpo CE – parte 2, (20) Eletrodo de trabalho.

Esta versátil célula eletroquímica permite, inclusive, a utilização de técnicas de luz sincrotron nas mesmas condições de caraterização eletroquímica de laboratório, o que é de especial importância no contexto da nova fonte de luz síncrotron brasileira, Sirius, que irá aprimorar a capacidade de caracterização dos processos eletroquímicos e das amostras em condições de operação in situ.

O trabalho publicado foi capa do periódico ChemElectroChem (2020).

Fonte: [1] J. L. Bott-Neto, M. V. F. Rodrigues, M. C. Silva, E. B. Carneiro-Neto, G. Wosiak, J. C. Mauricio, E. C. Pereira, S. J. A. Figueroa, P. S. Fernández, Versatile Spectroelectrochemical Cell for In Situ Experiments: Development, Applications, and Electrochemical Behavior, ChemElectroChem 2020, 7, 4306. DOI: 10.1002/celc.202001242