Nanopartículas cúbicas de paládio aplicadas como eletrocatalisadores para redução de oxigênio atmosférico, integrados a uma célula híbrida a biocombustível de glicose/oxigênio

Abstract

Neste trabalho, foi avaliada a atividade eletrocatalítica de nanopartículas cúbicas de paládio para a reação de redução de oxigênio (ORR) através da modificação de eletrodos de carbono vítreo (GC) e de eletrodos constituídos de uma camada de difusão de gás (GDL). Estes eletrodos foram então utilizados como cátodos para a confecção de uma célula híbrida a biocombustível por meio da sua combinação com um ânodo enzimático a base de glicose desidrogenase (GDH). As nanopartículas cúbicas de Pd (PdNPs) foram sintetizadas em quatro diferentes tamanhos, utilizando HCl para o controle do tamanho, em um processo de corrosão oxidativa ácida. Para a confecção dos eletrodos, as dispersões dos nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) e das PdNPs foram depositadas camada sob camada em eletrodos de GC. Os diferentes tamanhos de nanopartículas sintetizadas foram reconhecidos quanto às suas capacidades de redução de oxigênio (potencial de início da redução e densidade de corrente eletrocatalítica) em condições saturadas de O2. A reação de redução de oxigênio pelas PdNPs também foi determinada em uma ampla faixa de pH. Também foi demonstrada uma forte evidência no que diz respeito a limitação da difusão de O2 na superfície do eletrodo modificado com as PdNPs. Para ultrapassar estas limitações de concentração e difusão de oxigênio em solução, utilizou-se a GDL com o objetivo de criar um cátodo a base das PdNPs que permitisse a redução de O2 diretamente do ar atmosférico, como um cátodo respirante, que forneceu -1,5 mA cm-2 em um potencial de 0,0 V com início da redução em 0,4 V. Este cátodo respirante foi então combinado com um ânodo a base de 1,10-fenantrolina-5,6-diona (PLQ), utilizada como mediador redox e enzima GDH, especialmente concebido para formar uma célula a biocombustível híbrida de glicose/O2 completa, proporcionando uma voltagem de circuito aberto (OCV) de 0,554 V e uma potência máxima de 184 ± 21 µW cm-2 a 0,19 V em pH 7,0.

Abstract : In this work it was evaluated the electrocatalytic activity of palladium cubic nanoparticles for the oxygen reduction reaction (ORR) by the modification of glass carbon (GC) and gas diffusion layer (GDL) electrodes. These electrodes were then used as cathodes for the manufacture of a hybrid biofuel cell made by the combination with an enzymatic anode based on glucose dehydrogenase (GDH). The Pd cubic nanoparticles (PdNPs) were synthesized in four different sizes, using HCl for size control, in an acidic oxidative corrosion process. For the preparation of the electrodes, the multiwalled carbon nanotube (MWCNT) and the Pd cubic nanoparticles (PdNPs) dispersions were deposited onto glassy carbon electrodes layer-by-layer. The PdNPs of different sizes were investigated upon oxygen reduction capacities (onset potential and electrocatalytic current densities) under O2 saturated conditions. The oxygen reduction reaction by the PdNPs were evaluated over a broad pH range. Strong evidence of O2 diffusion limitation on the surface of the PdNPs modified electrode was demonstrated. In order to overcome the oxygen concentration and diffusion limitations in solution, a gas diffusion layer was used to create a PdNP-based air-breathing cathode, which delivered -1.5 mA cm-2 at the potential of 0.0 V with an onset potential of 0.4 V. This air-breathing cathode was combined with a specially designed phenanthrolinequinone/glucose dehydrogenase-based anode to form a complete glucose/O2 hybrid bio-fuel cell providing an open circuit voltage (OCV) of 0.554 V and delivering a maximal power output of 184 ± 21 µW cm-2 at 0.19 V at pH 7.0.