Síntese e caracterização de materiais multifuncionais a partir da recuperação de metais de baterias de Íon-Li E Zn-MnO2

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dc.contributor.advisor1Freitas, Marcos Benedito Jose Geraldo de
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-1521-774X
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3485939623614913
dc.contributor.authorBetim, Fernando Silva
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-0197-9260
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/2699263270536859
dc.contributor.referee1Ribeiro, Marcos Antonio
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000000293506419
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3587612609487639
dc.contributor.referee2Garcia, Eric Marsalha
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/8006969980460016
dc.contributor.referee3Pegoretti, Vitor Cezar Broetto
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0003-3000-8217
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/5268260061526735
dc.contributor.referee4Lelis, Maria de Fatima Fontes
dc.date.accessioned2024-05-30T01:41:26Z
dc.date.available2024-05-30T01:41:26Z
dc.date.issued2023-03-27
dc.description.abstractThis study evaluated the recovery of high-added-value metals from lithium-ion batteries and alkaline Zn–MnO2 batteries in oxides form. The cathodes of LIBs and alkaline batteries were leached with citric acid and glucose, while the anode of alkaline batteries was leached with citric acid and H2O2. The LIBs anode was leached with acetic acid and H2O2. From the mixture of these leachates, followed by the technique of coprecipitation with oxalic acid, followed by calcination, it was possible to synthesize the oxides Co, Mn–Co, Zn–Co, and Cu–Co. From the characterization techniques, it was possible to verify the formation of oxide nanoparticles with mixed composition, in the range of 20–50 nm, being assigned the phases Co3O4, Li(Mn0.75Ni0.25)2O4 and Mn3O4 for the Co oxide; MnCo2O4, Li(Mn0.75Ni0.25)2O4 and Mn3O4 for Mn–Co oxide; ZnCo2O4, Li(Mn0.75Ni0.25)2O4 and ZnO for Zn–Co oxide; and Cu0.76Co2.24O4, CuO, and CuNi0.5Mn1.5O4 for Cu–Co oxide. A second recycling route consisted of leaching the anode of LIBs with citric acid and H2O2, leading to a metallic citrate. After calcination, Cu oxide was formed, composed of nanoparticles in the range of 20–50 nm of CuO, in addition to the presence of graphite and traces of Li. Finally, by washing the Zn–MnO2 alkaline cell anode in a 1 mol L-1 citric acid solution, followed by thermal treatment, it was possible to obtain the oxides Zn–80, Zn–450, and Zn–700. From the characterization techniques, these oxides were characterized as ZnO microparticles. Co, Mn–Co, Zn–Co, and Cu–Co oxides were evaluated as catalysts in a photo-Fenton type process for methylene blue decolorization, with the last three with, respectively, 93.0%, 94, 3%, and 89.7% efficiency after 120 minutes. Cu and Cu–Co oxides were evaluated as pseudocapacitors. The Cu oxide presented specific capacitance of 9.1 F g -1 after 500 cycles of galvanostatic charge and discharge at a current density of 0.75 A g-1 , with charge/discharge efficiency of 17.2 %, indicating low electrochemical reversibility of the material. Cu–Co oxide presented specific capacitance of 28.8 F g-1 after 500 cycles of voltammetry at a speed of 20 mV s-1 , with charge/discharge efficiency of 84.9%, indicating good reversibility of the system. Finally, the oxides Zn– Co, Cu–Co, Zn–80, Zn–450, and Zn–700 were evaluated as catalysts in the PET degradation reaction by glycolysis, with the last three with, respectively, 99.34%, 96 .95% and 95.51% efficiency. The results showed that the compounds synthesized from metals recovered from lithium-ion and alkaline Zn–MnO2 batteries shown potential in the studied applications. The work presents alternatives for recovery of metals from lithium-ion batteries and alkaline Zn–MnO2 batteries, with results of economic, environmental, scientific, and social interest.
dc.description.resumoEste trabalho avaliou a recuperação de metais de alto valor agregado de baterias de íon-lítio e pilhas alcalinas de Zn–MnO2 na forma de óxidos. Os catodos de LIBs e de pilhas alcalinas foram lixiviados com ácido cítrico e glicose, enquanto o anodo de pilhas alcalinas foi lixiviado com ácido cítrico e H2O2. Já o anodo de LIBs foi lixiviado com ácido acético e H2O2. A partir da mistura desses lixiviados, seguido da técnica de coprecipitação com ácido oxálico, seguido de calcinação, foram possíveis sintetizar os óxidos Co, Mn–Co, Zn–Co e Cu–Co. A partir das técnicas de caracterização, foi possível verificar a formação de nanopartículas de óxidos com composição mista, na faixa de 20–50 nm, sendo atribuídas as fases Co3O4 e Li(Mn0,75Ni0,25)2O4 para o óxido Co; MnCo2O4, Li(Mn0,75Ni0,25)2O4 e Mn3O4 para o óxido Mn–Co; ZnCo2O4, Li(Mn0,75Ni0,25)2O4 e ZnO para o óxido Zn–Co; e Cu0,76Co2,24O4 e CuO para o óxido Cu–Co. Uma segunda rota de reciclagem consistiu na lixiviação do anodo de LIBs com ácido cítrico e H2O2, levando a formação de um citrato metálico. Após a calcinação, houve a formação do óxido Cu, composto de nanopartículas de da ordem de 20–50 nm CuO, além da presença de grafite e traços de Li. Por fim, a partir da lavagem do anodo pilha alcalina de Zn–MnO2 em solução de ácido cítrico 1 mol L-1 , seguido de tratamento térmico, foi possível obter os óxidos Zn–80, Zn–450 e Zn–700. A partir das técnicas de caracterização, estes óxidos foram caracterizados como micropartículas de ZnO. Os óxidos Co, Mn–Co, Zn–Co e Cu–Co foram avaliados como catalisador num processo tipo foto-Fenton para descoloração de azul de metileno, sendo que os 3 últimos obtiveram eficiências de, respectivamente, 93,0%, 94,3% e 89,7% após 120 minutos. Os óxidos Cu e Cu–Co foram avaliados como pseudocapacitores. O óxido Cu apresentou, após 500 ciclos de carga e descarga galvanostática, uma capacitância específica de 9,1 F g-1 , a uma densidade de corrente de 0,75 A g-1 , com eficiência de carga/descarga de 17,2%, indicando uma baixa reversibilidade eletroquímica do material. Já o óxido Cu–Co, apresentou, após 500 ciclos de voltametria cíclica a velocidade de 20 mV s-1 , uma capacitância específica de 28,8 F g-1 , com eficiência de carga/descarga de 84,9%, indicando uma boa reversibilidade do sistema. Por fim, os óxidos Zn–Co, Cu–Co, Zn–80, Zn–450 e Zn– 700 foram avaliados como catalisadores na reação de degradação de PET por glicólise, com os 3 últimos obtendo eficiências de 99,34%, 96,95% e 95,51%, respectivamente. Os resultados mostraram que os compostos sintetizados a partir da reciclagem de baterias de íon-lítio e pilhas alcalinas de Zn–MnO2 apresentaram potencialidades nas aplicações estudadas. O trabalho apresenta alternativas para a recuperação de metais de baterias de íon-lítio e pilhas alcalinas de Zn–MnO2, com os resultados de interesse ambiental, científico, econômico e social.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/16748
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Química
dc.publisher.departmentCentro de Ciências Exatas
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química
dc.rightsopen access
dc.subjectBaterias de íon-lítio
dc.subjectPilhas alcalinas de Zn–MnO2
dc.subjectRecuperação de metais
dc.subjectFotocatálise
dc.subjectPseudocapacitor
dc.subjectReciclagem de PET
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqQuímica
dc.titleSíntese e caracterização de materiais multifuncionais a partir da recuperação de metais de baterias de Íon-Li E Zn-MnO2
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typedoctoralThesis
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