Aplicação de nanopartículas magnéticas na geração de hidrogênio verde e armazenamento de energia

O presente trabalho investiga o desenvolvimento de eletrodos compósitos baseados em nanopartículas magnéticas de óxido de ferro ancoradas em nanomateriais de carbono, como grafeno e nanotubos de carbono, com aplicação na geração de hidrogênio verde por meio da eletrólise aquosa em meio neutro, utilizando energia fotovoltaica como fonte primária. A pesquisa fundamenta-se na necessidade de alternativas sustentáveis aos combustíveis fósseis, considerando o hidrogênio como vetor energético promissor devido à sua elevada densidade energética e baixo impacto ambiental quando produzido a partir de fontes renováveis. Inicialmente, foram sintetizadas nanopartículas de Fe₃O₄ por coprecipitação química, seguidas da preparação de tintas condutivas contendo diferentes combinações de nanomateriais. Os eletrodos foram confeccionados por técnicas de deposição, como drop-casting e aplicação por aerógrafo, em substratos metálicos, sendo posteriormente caracterizados por métodos espectroscópicos, morfológicos e eletroquímicos. Ensaios de voltametria cíclica, cronoamperometria e eletrólise foram realizados em soluções tampão neutras, avaliando-se parâmetros como densidade de corrente, volume de hidrogênio produzido e eficiência energética. Os resultados indicam que os eletrodos compósitos contendo a combinação de nanotubos de carbono, óxido de grafeno e nanopartículas de Fe₃O₄ apresentaram desempenho superior, evidenciando efeitos sinérgicos que favorecem a transferência de carga e a atividade eletrocatalítica na reação de evolução de hidrogênio. Observou-se ainda que o aumento da tensão aplicada eleva a produção de hidrogênio, porém reduz a eficiência energética do sistema, indicando perdas associadas a processos dissipativos. Adicionalmente, os materiais demonstraram potencial para aplicação em armazenamento eletroquímico de energia, reforçando sua multifuncionalidade. Dessa forma, o estudo contribui para o avanço de tecnologias de produção e armazenamento de hidrogênio, propondo soluções de baixo custo, eficientes e alinhadas aos princípios da sustentabilidade energética.

Resumo (inglês)

This study investigates the development of composite electrodes based on magnetic iron oxide nanoparticles anchored on carbon nanomaterials, such as graphene and carbon nanotubes, for application in green hydrogen production through water electrolysis in neutral medium, using photovoltaic energy as the primary source. The research is grounded in the need for sustainable alternatives to fossil fuels, considering hydrogen as a promising energy carrier due to its high energy density and low environmental impact when produced from renewable sources. Initially, Fe₃O₄ nanoparticles were synthesized by chemical co-precipitation, followed by the preparation of conductive inks containing different combinations of nanomaterials. The electrodes were fabricated using deposition techniques, such as drop-casting and airbrush application, on metallic substrates, and subsequently characterized by spectroscopic, morphological, and electrochemical methods. Electrochemical tests, including cyclic voltammetry, chronoamperometry, and electrolysis, were carried out in neutral buffer solutions, evaluating parameters such as current density, hydrogen production volume, and energy efficiency. The results indicate that composite electrodes containing the combination of carbon nanotubes, graphene oxide, and Fe₃O₄ nanoparticles exhibited superior performance, highlighting synergistic effects that enhance charge transfer and electrocatalytic activity in the hydrogen evolution reaction. It was also observed that increasing applied voltage raises hydrogen production but reduces the energy efficiency of the system, indicating losses associated with dissipative processes. Additionally, the materials demonstrated potential for application in electrochemical energy storage, reinforcing their multifunctionality. Therefore, this study contributes to the advancement of hydrogen production and storage technologies by proposing low-cost, efficient, and sustainable solutions.