Teses

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Tiago Henrique Silva Madalena

Luciano Andrey Montoro

Síntese de Carbonos Porosos Dopados Com Nitrogênio Para Soluções Ambientais: Captura de Co2 e Produção de H2

Synthesis Of Nitrogen-doped Porous Carbons For Environmental Solutions: Co2 Capture And H2 Production

Química

Energia, Água e Ciências Ambientais

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31/10/2025

Auditório II - Aluísio Pimenta

14:00

Prof. Luciano Andrey Montoro - Orientador (Dr. (UFMG))
Profa. Ana Paula de Carvalho Teixeira - Coorientadora (Dr. (UFMG))
Profa. Arilza de Oliveira Porto (Dr. (UFMG))
Prof. Tulio Matencio (Dr. (UFMG))
Profa. Renata Pereira Lopes Moreira (Dr. (UFV))
Prof. João Paulo Campos Trigueiro (Dr. (CEFET-MG))

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de materiais de carbono multifuncionais a partir de uma rota de síntese mecanoquímica, livre de solventes e alinhada aos princípios da Química Verde, para aplicações em captura de CO2 e eletrocatálise. Foram sintetizados carbonos porosos dopados com nitrogênio (NCs) e avaliados em duas frentes: como adsorventes para a captura de CO2 e como suportes para nanocompósitos de niobatos metálicos (NC14@NbX, X = Co, Cu, Ni, Mn) para a eletrólise da água. Inicialmente, os NCs foram obtidos utilizando resorcinol (precursor de carbono) e melamina (precursor de nitrogênio) para o método mecanoquímico, foi avaliado como a variação das proporções dos precursores afetam as propriedades texturais dos carbonos porosos. Os resultados indicaram que o composto MCN14 apresentou os melhores resultados texturais apresentando diâmetro médio (7,8 nm) e volume de mesoporos (0,24 cm3g-1) maiores. Na captura de CO2, a dopagem com nitrogênio demonstrou ser fundamental para aumentar a afinidade química com o gás em baixas pressões, com o material MCN14 atingindo uma capacidade de 2,3 mmolg-1, superior ao carbono não dopado. Como suporte eletrocatalítico, MCN14 conferiu notável atividade e excepcional estabilidade aos nanocompósitos para as reações de evolução de hidrogênio (HER) e oxigênio (OER), especialmente em meio básico. Os catalisadores NC14@NbMn e NC14@NbCo destacaram-se por sua cinética favorável e, crucialmente, mantiveram desempenho estável por 100 horas de operação contínua. A durabilidade foi atribuída aos sítios de nitrogênio do suporte, que atuam como pontos de ancoragem, prevenindo a agregação e a lixiviação da fase ativa. Assim, este estudo valida uma rota de síntese sustentável para a produção de materiais de carbono, demonstrando o papel duplo do nitrogênio como sítio ativo para adsorção de CO2 e como estabilizador para fases eletrocatalíticas, abrindo caminho para o desenvolvimento de sistemas de baixo custo e alta durabilidade para aplicações ambientais e de energia.

Adsorção, Captura de CO2, Carbonos porosos dopados com nitrogênio, Eletrocatálise, Produção de hidrogênio

This work presents the development of multifunctional carbon materials from a mechanochemical, solvent-free synthesis route aligned with the principles of Green Chemistry, for applications in CO2 capture and electrocatalysis. Nitrogen-doped porous carbons (NCs) were synthesized and evaluated on two fronts: as adsorbents for CO2 capture and as supports for metal niobate nanocomposites (NC14@NbX, X = Co, Cu, Ni, Mn) for water electrolysis. Initially, the NCs were obtained using resorcinol (carbon precursor) and melamine (nitrogen precursor) for the mechanochemical method; it was evaluated how the variation in the precursor proportions affects the textural properties of the porous carbons. The results indicated that the MCN14 compound showed the best textural results, presenting a larger average diameter (7.8 nm) and mesopore volume (0.24 cm3g-1). In CO2 capture, nitrogen doping proved to be fundamental in increasing chemical affinity with the gas at low pressures, with the MCN14 material reaching a capacity of 2.3 mmolg-1, higher than undoped carbon. As electrocatalytic support, the MCN14 conferred remarkable activity and exceptional stability to the nanocomposites for the Hydrogen Evolution Reaction (HER) and Oxygen Evolution Reaction(OER), especially in basic media. The NC14@NbMn and NC14@NbCo catalysts stood out for their favorable kinetics and, crucially, maintained stable performance for 100 hours of continuous operation. Durability was attributed to the supports nitrogen sites, which act as anchor points, preventing aggregation and leaching of the active phase. Thus, this study validates a sustainable synthesis route to produce carbon materials, demonstrating the dual role of nitrogen as an active site for CO2 adsorption and as a stabilizer for electrocatalytic phases, paving the way for the development of low-cost, highly durable systems for environmental and energy applications.

Adsoption, CO2 capture, Electrocatalysis, Hydrogen production, N-doped Porous carbons