Construção de dispositivo foto(eletrocatalítico) para o monitoramento da conversão de CH4 e CO2 em metanol

Abstract

Resumo: Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de materiais para a conversão (foto)eletroquímica dos principais constituintes do biogás, metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), visando a obtenção de produtos com alto valor agregado. Para isso, foi realizada a síntese do semicondutor vanadato de bismuto (BiVO4), reconhecido por sua estabilidade, não toxicidade e atividade fotoeletrocatalítica sob luz visível. Duas rotas sintéticas foram avaliadas, variando os métodos de homogeneização. A rota com irradiação ultrassônica apresentou os melhores resultados, gerando partículas nanométricas, monodispersas e com estrutura cristalina monoclínica, sendo o material caracterizado por um bandgap de 2,40 eV, adequado para aplicações com radiação visível. O BiVO4 foi imobilizado em eletrodos por duas abordagens: drop casting sobre substratos de óxido de estanho dopado com flúor e prensagem com anilina sobre malhas de aço, seguida de eletropolimerização. Os resultados revelaram geração expressiva de fotocorrente sob iluminação, confirmando a atividade fotoeletrocatalítica do sistema e gerando metanol. Simultaneamente, foram avaliadas três sílicas modificadas, a ativada, adsorvida e ancorada com o líquido iônico brometo de 1-butil 3-etilimidazólio, para aplicação como cátodo na redução de CO2. Os materiais foram imobilizados por drop casting sobre FTO (eletrodo de oxido de estanho dopado com flúor) e prensagem com pirrol sobre malhas de aço e caracterizados comparando suas respostas. A sílica ancorada apresentou menor lixiviação e maior capacidade de conversão de gás carbônico em metanol. Após essa etapa, foi construído um reator eletroquímico integrado, com compartimentos separados por membrana iônica, possibilitando a operação simultânea do fotoânodo de BiVO4 e do cátodo de sílica ancorada, estabelecendo um par eletroquímico complementar. O reator foi projetado para purga controlada de CH4 e CO2 e conta com um sistema eletrônico que permite o monitoramento da reação em tempo real por medidas de transmitância. Os ensaios demonstraram, após 1 hora de operação sob irradiação e potencial aplicado, a formação de metanol, indicando a eficiência da conversão promovida pelo sistema. Dessa forma, os resultados obtidos demonstram o potencial da abordagem proposta para a remediação e valorização do biogás, oferecendo uma alternativa sustentável, tecnicamente viável e inovadora para o aproveitamento energético de resíduos gasosos provenientes de estações de esgoto

Abstract: This work aims to develop materials for the (photo)electrochemical conversion of the main biogas constituents, methane (CH4) and carbon dioxide (CO2), aiming to obtain high-value added products. To this end, the semiconductor bismuth vanadate (BiVO4), recognized for its stability, non-toxicity, and photoelectrocatalytic activity under visible light, was synthesized. Two synthetic routes were evaluated, varying the homogenization methods. The ultrasonic irradiation route presented the best results, generating nanometric, monodisperse particles with a monoclinic crystalline structure. The material is characterized by a bandgap of 2.40 eV, suitable for applications with visible light. BiVO4 was immobilized on electrodes using two approaches: drop casting onto fluorine-doped tin oxide substrates and aniline pressing onto steel meshes, followed by electropolymerization. The results revealed significant photocurrent generation under illumination, confirming the system's photoelectrocatalytic activity and generating methanol. Simultaneously, three modified silicas, activated, adsorbed, and anchored with the ionic liquid 1-butyl-3-ethylimidazolium bromide, were evaluated for use as cathodes in CO2 reduction. The materials were immobilized by drop casting onto FTO (electrode based on fluorine-doped tin oxide) and pressing with pyrrole onto steel meshes, and their responses were characterized by comparing their responses. The anchored silica exhibited lower leaching and greater capacity for converting carbon dioxide to methanol. Following this step, an integrated electrochemical reactor was constructed with compartments separated by an ionic membrane, enabling simultaneous operation of the BiVO4 photoanode and the anchored silica cathode, establishing a complementary electrochemical pair. The reactor was designed for controlled purging of CH4 and CO2 and features an electronic system that allows real-time reaction monitoring through transmittance measurements. The tests demonstrated, after 1 hour of operation under irradiation and applied potential, the formation of methanol, indicating the efficiency of the conversion promoted by the system. Thus, the results obtained demonstrate the potential of the proposed approach for biogas remediation and valorization, offering a sustainable, technically viable, and innovative alternative for the energy recovery of gaseous waste from sewage plants