Estudo da eficiência de produção de H2 verde simultâneo com a produção de oxidantes fortes utilizando eletrodo de diamante dopado com boro (BDD)

Electrochemical water splitting driven by renewable energy sources is considered to be a promising carbon-free pathway for the production of the “green” fuel hydrogen. Efforts for decarbonization are recurrent, so the use of electrochemical technology powered by renewable sources, such as photovo...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Barreto, Jéssica Pires de Paiva
Outros Autores: Huitle, Carlos Alberto Martinez
Formato: doctoralThesis
Idioma:pt_BR
Publicado em: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Assuntos:
Química
Espécies oxidantes
Persulfato verde
Hidrogênio verde
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/49874
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Barreto, Jéssica Pires de Paiva
Estudo da eficiência de produção de H2 verde simultâneo com a produção de oxidantes fortes utilizando eletrodo de diamante dopado com boro (BDD)
description Electrochemical water splitting driven by renewable energy sources is considered to be a promising carbon-free pathway for the production of the “green” fuel hydrogen. Efforts for decarbonization are recurrent, so the use of electrochemical technology powered by renewable sources, such as photovoltaic cells (PV), wind turbines, among other alternatives, have increasingly attracted the attention of the scientific community. Despite the promises of such an approach, the process economics are not yet favorable. Faced with this scenario, propositions arise such as the integration of processes. The use of membrane divided electrochemical reactors is a well-known technology in hydrogen production (at the cathodic compartment). The proposal is the simultaneous production of green hydrogen with anodic reactions. Then, on the one hand, the supply of electrical energy to promote anodic reactions in the production of strong oxidants is an alternative to be considered for the parallel production of hydrogen, reducing energy consumption and costs; Being an eco-friendly sustainable process, if the electricity is produced by PV cells. On the other hand, the use of a boron-doped diamond electrode, in the anodic electrolytic compartment, can be considered a promising alternative, because the wastewater treatment, disinfection of water or electrosynthesis of oxidants can be attained. Thus, this work proposed the production of sulfate-based oxidizing species in the anode compartment with the simultaneous production of green H2 in the cathode compartment. Results clearly have demonstrated that higher production efficiencies, from 0.5 to 2.0 mM, of sulfate-based oxidizing species can be obtained depending on applied current densities, producing in parallel, from 0.2 to 0.8 L of pure hydrogen in 120 min. Application ex-situ of electrogenerated persulfate stored at lower temperatures has greater applicability than when stored at room temperature. The transition from “on-grid” to “off-grid” technology has some advantages such as cost reduction, ease of logistics and greater process portability and reproducibility. Sulfate-based oxidizing species solutions can be used as an off-grid technology to degrade pollutants, thus, increasing the high-added value of the technology.
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Efforts for decarbonization are recurrent, so the use of electrochemical technology powered by renewable sources, such as photovoltaic cells (PV), wind turbines, among other alternatives, have increasingly attracted the attention of the scientific community. Despite the promises of such an approach, the process economics are not yet favorable. Faced with this scenario, propositions arise such as the integration of processes. The use of membrane divided electrochemical reactors is a well-known technology in hydrogen production (at the cathodic compartment). The proposal is the simultaneous production of green hydrogen with anodic reactions. Then, on the one hand, the supply of electrical energy to promote anodic reactions in the production of strong oxidants is an alternative to be considered for the parallel production of hydrogen, reducing energy consumption and costs; Being an eco-friendly sustainable process, if the electricity is produced by PV cells. On the other hand, the use of a boron-doped diamond electrode, in the anodic electrolytic compartment, can be considered a promising alternative, because the wastewater treatment, disinfection of water or electrosynthesis of oxidants can be attained. Thus, this work proposed the production of sulfate-based oxidizing species in the anode compartment with the simultaneous production of green H2 in the cathode compartment. Results clearly have demonstrated that higher production efficiencies, from 0.5 to 2.0 mM, of sulfate-based oxidizing species can be obtained depending on applied current densities, producing in parallel, from 0.2 to 0.8 L of pure hydrogen in 120 min. Application ex-situ of electrogenerated persulfate stored at lower temperatures has greater applicability than when stored at room temperature. The transition from “on-grid” to “off-grid” technology has some advantages such as cost reduction, ease of logistics and greater process portability and reproducibility. Sulfate-based oxidizing species solutions can be used as an off-grid technology to degrade pollutants, thus, increasing the high-added value of the technology. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A eletrólise da água impulsionada por fontes de energia renovável é considerada um caminho promissor para a produção do combustível hidrogênio verde. Esforços para a descarbonização são recorrentes, assim o uso da tecnologia eletroquímica alimentada por fontes renováveis, como por exemplo, placas fotovoltaicas (PV), turbinas eólicas, entre outras alternativas, têm atraído cada vez mais a atenção da comunidade cientifica. Apesar das promessas de tais abordagens, o viés econômico ainda não é favorável. Diante desse cenário surgem proposições como a integração de processos. O uso de reatores eletroquímicos divididos por membranas é uma tecnologia conhecida na produção de hidrogênio (no compartimento catódico). A proposta é a produção simultânea de hidrogênio verde com reações anódicas. Então, por um lado, o fornecimento de energia elétrica para promover reações anódicas na produção de fortes oxidantes é uma alternativa a ser considerada para a produção paralela de hidrogênio, reduzindo o consumo de energia e os custos; sendo um processo sustentável e ecologicamente correto, visto que a eletricidade é oriunda de placas fotovoltaicas. Por outro lado, a utilização de eletrodo de diamante dopado com boro, no compartimento eletrolítico anódico, pode ser considerada uma alternativa promissora, pois permite o tratamento de efluentes, desinfecção de água e/ou eletrossíntese de oxidantes. Desse modo, esse trabalho propôs a produção de espécies oxidantes à base de sulfato no compartimento anódico com a produção simultânea de H2 verde no compartimento catódico. Os resultados demonstraram claramente que maiores eficiências de produção, de 0,5 a 2,0 mM, de espécies oxidantes à base de sulfato pode ser obtido dependendo das densidades de corrente aplicada, produzindo em paralelo, de 0,2 a 0,8 L de hidrogênio em 120 minutos. A aplicação ex-situ do persulfato eletrogerado e armazenado em temperaturas mais baixas tem maior aplicabilidade que quando armazenado em temperatura ambiente. A transição da tecnologia “on-grid” para “off-grid” apresenta algumas vantagens como a diminuição de custos, facilidade na logística e maior portabilidade e reprodutibilidade do processo. Soluções de espécies oxidantes à base de sulfato podem ser usadas como uma tecnologia off-grid para degradar poluentes, aumentando assim o valor agregado da tecnologia aplicada. 2023-09-20 2022-11-24T21:30:04Z 2022-09-05 doctoralThesis BARRETO, Jéssica Pires de Paiva. Estudo da eficiência de produção de H2 verde simultâneo com a produção de oxidantes fortes utilizando eletrodo de diamante dopado com boro (BDD). Orientador: Carlos Alberto Martinez Huitle. 2022. 84f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/49874 pt_BR Acesso Embargado application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

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