Carbonos nitrogenados obtidos a partir de colágeno hidrolisado: potenciais aplicações nas reações de desprendimento e redução de oxigênio

Abstract

Neste trabalho, carbonos funcionalizados com grupos nitrogenados e com diferentes características físico-químicas, foram preparados a partir da pirólise controlada de uma fonte alternativa, o colágeno hidrolisado extraído de couro wet blue residual. Todos os materiais foram caracterizados com diferentes técnicas, obtendo-se uma ampla informação a respeito de sua estrutura, química superficial, composição e também morfologia e textura. As propriedades eletrocatalíticas de todos os materiais foram avaliadas para as reações de desprendimento (RDO) e de redução de oxigênio (RRO) em meio alcalino. Num primeiro momento, o colágeno hidrolisado, como recebido, foi usado para a preparação de carbonos nas temperaturas de 300, 400 e 600 ºC. As caracterizações destes materiais mostraram que todos apresentam estruturas amorfas e grafíticas, contendo ~12 % de nitrogênio e diferentes grupos funcionais superficiais. A partir das análises de TG-MS verificou-se que as diferentes temperaturas de pirólise promovem a formação de grupos funcionais, incluindo os nitrogenados, com diferentes estabilidades térmicas. Porém, estes materiais apresentaram pequenas áreas superficiais específicas (< 20 m2 g-1) e uma morfologia com baixa porosidade. Uma vez que estas propriedades são de extrema importância para aplicações eletrocatalíticas, carbonos géis foram obtidos sob as mesmas condições de pirólise, com o objetivo de aumentar a área superficial e a porosidade dos materiais. Os carbonos géis (xerogéis e criogéis) apresentaram muitas semelhanças com os materiais de carbono preparados anteriormente, divergindo-se basicamente em relação às propriedades texturais e superficiais. Eles apresentaram uma área superficial maior e uma morfologia bastante porosa, principalmente para os materiais criogéis. Os resultados obtidos mostraram que todos os carbonos preparados foram capazes de promover a eletrocatálise, tanto para a RDO como para a RRO. Porém, os carbonos géis foram claramente mais eficientes. Os eletrodos preparados com estes materiais apresentaram valores de área eletroquímica ativa superiores, o que ajuda a justificar o melhor desempenho. Além disso, tanto para a RDO quanto para a RRO os carbonos géis preparados a 600 °C se destacaram. Na RDO os menores sobrepotenciais foram obtidos pelo XE600 (0,137 V) e CRI600 (0,235 V). Na RRO o potencial de redução não variou muito e ficou em torno de 0,8 V, porém novamente CRI600 e XE600 produziram as maiores densidades de corrente. Ambos os resultados estão relacionados a grupos nitrogenados específicos, termicamente mais estáveis (nitrogênio grafítico, piridínicos e pirrólicos), os quais são os principais responsáveis pela melhora das propriedades eletrocatalíticas envolvendo as reações com o oxigênio. Acredita-se que os géis de carbono também foram mais eficientes devido a maior facilidade de acesso aos grupos responsáveis pela eletrocatálise propiciada pela estrutura mais porosa. Por meio dos resultados apresentados foi demostrado o grande potencial para uma futura utilização do colágeno hidrolisado, um subproduto da indústria do couro, como fonte barata e abundante para a produção de materiais de carbono nitrogenados com alta atividade eletrocatalítica para as reações de RDO e RRO.