New processes of obtainment of active carbon and its use in the study of the oxygen reduction reaction

O peróxido de hidrogênio (H2O2), muito utilizado como agente oxidante, pode ser produzido em célula eletroquímica com materiais carbonosos através da reação de redução do oxigênio (RRO) via 2 e-. O carbono ativado Printex 6L é referência na literatura para geração de H2O2, porém, o carbono amorfo também pode ser obtido via síntese a partir de resíduos lignocelulósicos. O presente trabalho aborda a obtenção de carbono ativado a partir de resíduos de borra de cerveja e bagaço de cana-de-açúcar para geração eletroquímica de H2O2. O planejamento e otimização dos experimentos foram baseados no planejamento fatorial 23 com delineamento rotacional. As sínteses dos materiais foram feitas em via única de ativação/carbonização, com impregnação de 0 a 30% de H3PO4, carbonização em mufla de 450 a 950ºC e tempo de permanência de 0 a 180 minutos. Para os experimentos eletroquímicos, foi utilizada a mesma condição experimental para todos os materiais, com eletrólito K2SO4 (pH = 3) 0,05 mol/L, intervalos de voltametria de varredura linear de +0,40 V a -0,80 V vs Ag/AgCl, velocidade de varredura de 5 mVs-1 e controle hidrodinâmico a 900 rpm. Para caracterização dos materiais foram realizadas as técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectrometria de Dispersão de Energia (MEV-EDS), Isoterma de Adsorção de N2, Difratometria de raios X (DRX), Espectroscopia Raman e Espectroscopia no Infravermelho (FT-IR). Através da equação de regressão obtida pelo modelo estatístico, foi encontrada a região com melhor eficiência de corrente para geração de H2O2, situada nas condições de 580ºC 30 minutos 25% H3PO4, e sinteizadas 8 replicatas do melhor material 580-30-25, que deveria estatisticamente apresentar 77,7% de eficiência na geração de H2O2, com margem entre 71,4% e 84,0%. Todas as replicatas do melhor material apontado pelo modelo apresentaram perfil de corrente semelhante ao Printex 6L, iniciando a RRO em -0,10 V vs Ag/AgCl com patamar de corrente limite difusional em -0,70 V vs Ag/AgCl, e resultado médio de 71,9±3,9% de H2O2, muito próximo do Printex 6L com 73,5% de H2O2. Quanto às características morfológicas e estruturais, o melhor material apresentou presença de grupos superficiais de fosfato, tamanho e volume de mesoporos menor que o Printex 6L, e maior área superficial. Assim como para o Printex 6L, o melhor material apresentou estrutura de carbono amorfo, apenas com diferença quanto a presença de picos de baixa intensidade da fase cúbica de SiP2O7 disperso como impureza na estrutura carbonosa. Diante do exposto, apesar da diferença na morfologia das partículas, composição elementar, área superficial e presença de grupos fosfatos no melhor material, foi possível obter carbono ativado a partir de precursor lignocelulósico com aplicação eletroquímica para geração de H2O2 similar ao Printex 6L, trazendo assim no presente trabalho uma inovação na aplicabilidade do carbono ativo sintetizado a partir de resíduos sólidos.Hydrogen peroxide (H2O2), widely used as an oxidizing agent, can be produced in an electrochemical cell with carbonaceous materials through the oxygen reduction reaction (ORR) via 2e-. The activated carbon Printex 6L is a reference in the literature for generating H2O2, however, amorphous carbon can also be obtained via synthesis from lignocellulosic residues. The present work approaches the obtaining of activated carbon from residues of beer lees and sugarcane bagasse for the electrochemical generation of H2O2. The design and optimization of experiments were based on 23 factorial design with rotational design. The syntheses of the materials were carried out in a single activation/carbonization pathway, with impregnation of 0 to 30% of H3PO4, carbonization in a muffle furnace from 450 to 950ºC and residence time from 0 to 180 minutes. For the electrochemical experiments, the same experimental condition was used for all materials, with K2SO4 electrolyte (pH = 3) 0.05 mol/L, linear scanning voltammetry ranges from +0.40 V to -0.80 V vs. Ag/AgCl, 5 mVs-1 sweep speed and hydrodynamic control at 900 rpm. To characterize the materials, Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersion Spectrometry (SEM-EDS), N2 Adsorption Isotherm, X-ray Diffractometry (XRD), Raman Spectroscopy and Infrared Spectroscopy (FT-IR) were performed. Through the regression equation obtained by the statistical model, the region with the best current efficiency for the generation of H2O2 was found, located under conditions of 580ºC 30 minutes 25% H3PO4, and 8 replicates of the best material 580-30-25 were synthesized, which should statistically present 77.7% efficiency in the generation of H2O2, with a range between 71.4% and 84.0%. All replicates of the best material pointed out by the model presented a current profile similar to Printex 6L, starting the ORR at -0.10 V vs Ag/AgCl with a diffusion threshold current at -0.70 V vs Ag/AgCl, and result average of 71.9±3.9% H2O2, very close to Printex 6L with 73.5% H2O2. Regarding the morphological and structural characteristics, the best material showed the presence of surface phosphate groups, size and volume of mesopores smaller than Printex 6L, and greater surface area. As the Printex 6L, the best material presented an amorphous carbon structure, with only difference in the presence of low intensity peaks of the cubic phase of SiP2O7 dispersed as an impurity in the carbon structure. Therefore, despite the difference in particle morphology, elemental composition, surface area and presence of phosphate groups in the best material, it was possible to obtain activated carbon from lignocellulosic precursor with electrochemical application to generate H2O2 similar to Printex 6L, bringing thus, in the present work, an innovation in the applicability of active carbon synthesized from solid waste