Estudos eletroquímicos e teóricos sobre a oxidação de compostos orgânicos modelo no eletrodo de diamante dopado com boro: comportamento eletroquímico, mecanismos de oxidação e DFT

The Electrochemical Oxidation is a kind of process that can occur directly at the anode from a direct transfer to the surface, or also by means of indirect oxidation by the generation of active oxygen species which can be physically adsorbed (in form of hydroxyl radical (● OH)), or chemically adsorbed (oxygen is present in oxide structure) on the electrode surface. this process is related to the type of anode material used and its electrocatalytic activity. However, this activity can also be impaired due to the formation of polymeric films, production of parallel oxidant reactions as well reaction of oxygen evolution. Among the most studied electrocatalytic material is diamond films doped with boron (BDD). the BDD electrode has excellent electrochemical properties such as stability at high current densities, corrosion stability, inert surface with low adsorption properties, and hardness. The high efficiency of the BDD for removal of organic compounds is attributed to their ability to produce a large amount of hydroxyl radicals by the electrolysis of water. These radicals have high reactivity with organic compounds, due to their weak interaction (weakly adsorbed) with the film BDD, they are also not selective and completely mineralize organic pollutants with a high current efficiency. However, some organic compounds are easy to degradation than others, as well as certain organic compounds also interact with the surface of BDD. Thus, because of the need to understand the chemical process at the molecular level, including computational theoretical studies that are of most interest, which are developed physico-chemical calculations arising from quantum chemistry, using Density Functional Theory (DFT). The DFT is systems with many electrons using functions representing the electron density of molecules in order to obtain electronic, atomic charges and derivatives of energy the potential energy surface of a chemical reaction, to evaluate the stability of the compounds and understand the reaction mechanisms followed and proposed. The objective of this work was the use of BDD to study the electrochemical behavior of organic compounds (hydroquinone, catechol, resorcinol, acetic acid, formic acid and oxalic acid) as well as the understanding of the degradation process of the same when in electrolysis. Moreover, computational studies on the behavior of chemical species across the BDD electrode with the intention of obtaining the organic compound interaction settings on the surface of the electrode or the understanding to unravel the interactions between strong oxidizing species in solution with organic compounds during its degradation.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)A oxidação eletroquímica é um tipo de processo que pode ocorrer diretamente no ânodo, a partir de uma transferência direta com a superfície, ou também através de uma oxidação indireta mediante a geração de espécies ativas de oxigênio as quais podem ser fisicamente adsorvidas (na forma de radicais hidroxila (●OH), ou quimicamente adsorvidas (oxigênio se apresenta em estrutura de óxido), na superfície do eletrodo. Esse processo está relacionado ao tipo do material anódico utilizado e a sua atividade eletrocatalítica. Porém, essa atividade pode ser também, prejudicada devido à formação de filmes poliméricos, reações paralelas de produção de oxidantes bem como, a reação de evolução de oxigênio. Dentre os materiais eletrocatalíticos mais estudados encontra-se os filmes de diamante dopado com boro (DDB). O eletrodo de DDB possui excelentes propriedades tais como estabilidade eletroquímica a elevadas densidades de correntes, estabilidade a corrosão, superfície inerte com baixas propriedades de adsorção e dureza. A alta eficiência do DDB para remoção dos compostos orgânicos é atribuída à capacidade de produzir uma grande quantidade de radicais hidroxilas mediante a eletrólise da água. Estes radicais apresentam alta reatividade com os compostos orgânicos, devido à sua fraca interação (fracamente adsorvido) com o filme de DDB são também, não seletivos e mineralizam completamente poluentes orgânicos com uma alta eficiência de corrente. Entretanto, alguns compostos orgânicos são de fácil degradação em relação a outros, bem como, alguns compostos orgânicos também interagem com a superfície do DDB. Assim, devido à necessidade de entender o processo químico em escala molecular, a inclusão de estudos teóricos computacionais esta sendo de maior interesse, na qual são desenvolvidos cálculos físico-químicos advindos da química quântica, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT). A DFT trata sistemas com muitos elétrons usando funções que representam a densidade eletrônica das moléculas a fim de se obter: propriedades eletrônicas, cargas atômicas e energias dos intermediários que compõe a superfície de energia potencial de uma reação química, avaliar a estabilidade de modo comparativo entre compostos e entender os mecanismos de reação seguidos e propostos. Assim, o objetivo deste trabalho foi o uso de DDB para o estudo do comportamento eletroquímico de compostos orgânicos (hidroquinona, catecol, resorcinol, ácido acético, ácido fórmico e ácido oxálico) bem como o entendimento do processo de degradação, dos mesmos quando eletrolisados. Além disso, estudos computacionais referentes ao comportamento das espécies químicas frente ao eletrodo de DDB com a intenção de obter as configurações de interação do composto orgânico na superfície do eletrodo ou no entendimento de desvendar as interações entre as espécies oxidantes fortes em solução com os compostos orgânicos durante sua degradação