Síntese de catalisador de cobalto suportado em g-C3N4 e óxido de grafeno proveniente do grafite e do carvão mineral para a produção de hidrogênio via hidrólise do NaBH4

Abstract

As mudanças climáticas têm impulsionado a transição para sistemas energéticos mais sustentáveis, destacando o hidrogênio como um vetor energético estratégico devido à sua elevada densidade energética e versatilidade em aplicações móveis e estacionárias. No entanto, o armazenamento seguro e eficiente de hidrogênio permanece como um dos principais desafios para a consolidação dessa tecnologia. Dentre as alternativas, borohidreto de sódio (NaBH4) tem se destacado como um material promissor para armazenamento químico de hidrogênio, embora sua aplicação prática dependa do desenvolvimento de catalisadores eficientes para promover sua hidrólise em condições brandas. Diante disso, este trabalho teve como objetivo sintetizar, caracterizar e avaliar o efeito do suporte em catalisadores de cobalto na liberação de hidrogênio resultante da hidrólise alcalina do borohidreto de sódio. Foram sintetizados catalisadores monometálicos de cobalto suportados em compósitos de g-C3N4 e OG, sendo este último obtido a partir de duas fontes distintas: grafite e carvão mineral. O suporte catalítico foi preparado em diferentes proporções mássicas, enquanto a incorporação do metal foi realizada por impregnação em proporção controlada. Os resultados evidenciaram que a composição do suporte tem papel determinante no desempenho catalítico, sendo a formulação contendo 14,2% de cobalto suportado em 57,5% de g-C3N4 e 28,3% de óxido de grafeno a que apresentou maior eficiência na liberação de hidrogênio. Estudos cinéticos demonstraram que a reação é fortemente dependente da temperatura e das condições reacionais, permitindo a determinação dos parâmetros cinéticos e termodinâmicos do sistema. Os catalisadores preparados com óxido de grafeno de maior pureza, derivado de grafite, apresentaram desempenho superior, com energia de ativação de 22,07 ± 0,08 kJ·mol-1, em comparação ao material obtido a partir de carvão mineral (29,12 ± 0,81 kJ·mol-1). Ainda assim, os materiais derivados de carvão mineral apresentaram desempenho satisfatório em comparação com uso de suportes reportados na literatura. Este estudo contribui para o avanço de tecnologias de liberação de hidrogênio sob demanda, reforçando o potencial do NaBH4 como vetor energético em sistemas sustentáveis.

Abstract: Climate change has driven the transition toward more sustainable energy systems, highlighting hydrogen as a strategic energy carrier due to its high energy density and versatility in mobile and stationary applications. However, the safe and efficient storage of hydrogen remains one of the main challenges for the consolidation of this technology. Among the available alternatives, sodium borohydride (NaBH4) has emerged as a promising material for chemical hydrogen storage, although its practical application depends on the development of efficient catalysts to promote its hydrolysis under mild conditions. In this context, this work aimed to synthesize, characterize, and evaluate the effect of the support on cobalt-based catalysts for hydrogen generation via alkaline hydrolysis of sodium borohydride. Monometallic cobalt catalysts supported on g-C3N4 and graphene oxide (GO) composites were synthesized, with the latter obtained from two different sources: graphite and mineral coal. The catalytic supports were prepared in different mass proportions, while metal incorporation was carried out by impregnation under controlled conditions. The results demonstrated that the support composition plays a decisive role in catalytic performance, with the formulation containing 14.2% cobalt supported on 57.5% g-C3N4 and 28.3% graphene oxide showing the highest hydrogen generation efficiency. Kinetic studies revealed that the reaction is strongly dependent on temperature and reaction conditions, enabling the determination of kinetic and thermodynamic parameters of the system. Catalysts prepared with higher-purity graphene oxide derived from graphite exhibited superior performance, with an activation energy of 22.07 ± 0.08 kJ·mol-1, compared to 29.12 ± 0.81 kJ·mol-1 for the material obtained from mineral coal. Nevertheless, catalysts derived from mineral coal showed satisfactory performance when compared to support reported in the literature. This study contributes to the advancement of ondemand hydrogen generation technologies, reinforcing the potential of NaBH4 as an energy carrier for sustainable systems.