Alkaline fuel cells (AFC's) using renewable fuels are a developing technology capable of meeting market niches in standby, standalone and distributed power generation. AFC's generate electricity, heat and water using hydrogen and oxygen as fuels. While AFC's have been known and the principles demonstrated for over sixty years, their use has been restricted primarily to space applications. Recent technological developments have seen the cost of AFC stacks fall considerably; this together with several other advantages over competing fuel cell technology, has rekindled interest in commercial systems. The main deterrent to wide spread commercialisation of AFC systems is susceptibility to carbon dioxide (CO2) in atmospheric air used as the oxygen supply. AFC's require a low cost, low energy, continuous scrubbing device to reduce CO2 in air from approximately 380 parts per million (ppm) atmospheric concentration to below 50 ppm. Current technology to overcome this problem, a solid expendable absorbent called soda lime, is not viable for commercial systems. The project scope included concept generation of a device to remove CO2 from air, the development of a CO2 measurement technique, investigation of chemistry and flow phenomena to determine design relations, and product design and embodiment. The scrubber system conceived specifically for AFC systems uses the temperature swing chemistry of a liquid chemical absorbent, monoethanolamine, and a packed bubble column apparatus to provide intimate gas-liquid interaction. Prototype development proved the Carbon Dioxide Continuous Scrubber (CDOCS) concept and a Patent Cooperation Treaty (PCT) patent was granted, followed by a full American patent. A gas chromatographic measurement technique was developed to measure low ppm concentration CO2 in air, enabling regular monitoring of scrubbed gas. Carbon dioxide was separated from a small sample of scrubbed air by chromatographic columns, and the gases analysed with a thermal conductivity detector. The GC system was capable of measuring to 10 ppm with good resolution and accuracy. Experimental studies were carried out to characterise the flow dynamics and absorption phenomena in the packed bubble column absorber. The relationship between absorption performance and gas-liquid contact time, an important operating parameter for use with AFC's, was theoretically determined and later confirmed by experiment. The regeneration process was studied and the optimal regenerator design determined to be second, smaller packed bubble column. Experiments were conducted to establish design relations for regeneration temperature, flush gas flow rate and the effect of multiple regeneration cycles. A prototype CDOCS system was built to enable experimental characterisation of scrubbing performance as a function of primary design and operating parameters including liquid depth, regenerator operating temperature and solution composition. This resulted in a good understanding of the system, and an optimised experimental run was performed for cost and performance comparison to existing scrubbing technology. The CDOCS was capable of reducing CO2 in air from 380 to 80 ppm for thirty days, providing low cost, low maintenance scrubbing compared to soda lime. The capital cost of the CDOCS is considerably more than for soda lime scrubbers, and the penalty for extended operation is parasitic power consumption by the CDOCS system totalling less than 7% of fuel cell output. It is suggested that a combination of the two technologies be used initially to provide effective, low cost scrubbing for AFC and CDOCS co-development. Future work on the CDOCS project should include reduction of chemical vapour carry over to the fuel cell, followed by integration with an AFC system. This would allow further development, refinement and design for production to reduce capital cost.

Eletrocatalisadores Pt/C, Pd/C, PtAu/C, PtIr/C, PdAu/C, PdIr/C, PtAuIr/C e PdAuIr/C foram preparados via redução por borohidreto de sódio em diferentes proporções atômicas, com 20% em massa de metal e suportados em carbono Vulcan XC72 de alta área superficial. Os materiais foram caracterizados pelas técnicas de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX), análise de difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). A oxidação eletroquímica do etanol foi estudada por voltametria cíclica (VC) e cronoamperometria, utilizando a técnica do eletrodo de camada fina porosa e o estudo da oxidação eletroquímica de etanol \"in situ\" utilizando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Posteriormente os materiais foram testados em células à combustível alcalinas alimentadas diretamente com etanol. Os resultados demonstraram que houve formação de ligas, com tamanho médio de nanopartículas entre 4,0 - 10 nm. De acordo com os experimentos eletroquímicos os eletrocatalisadores ternários apresentaram maior atividade eletrocatalítica e os estudos em FTIR indicaram que o produto principal da oxidação eletroquímica de etanol em meio alcalino para todos eletrocatalisadores sintetizados foi o acetato, sugerindo que a oxidação ocorre de forma incompleta pelo mecanismo indireto. Os testes em célula mostraram os melhores resultados para PdAuIr/C (50:40:10) com o qual obteve-se potencial de circuito aberto de aproximadamente 0,78 V e densidade de potência máxima de aproximadamente 15 mW cm-2, cerca de 333% superior a Pd/C. / Pt/C, Pd/C, PtAu/C, PtIr/C, PdAu/C, PdIr/C, PtAuIr/C and PdAuIr/C electrocatalysts, were prepared by the sodium borohydride reduction process in different atomic proportions, with 20 wt.% of metal loading and supported on Vulcan XC72 carbon with high surface area. The materials were characterized by X-ray dispersive energy spectroscopy (EDX), X-ray diffraction analysis (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The ethanol electrochemical oxidation was studied by cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry and in situ using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) using the thin porous coating technique, Afterwards the materials were tested on direct ethanol alkaline fuel cells. The results suggest alloys formation, with the mean nanoparticles sizes are from 4 - 10 nm. According to the electrochemical experiments the ternary electrocatalysts presented higher electrocatalytic activity, while that the FTIR studies indicated that the main product of the electrochemical oxidation of ethanol in alkaline medium for all synthesized electrocatalysts was acetate, also suggesting that the oxidation occurs incompletely by the indirect mechanism. The fuel cell experiments showed the best results for PdAuIr/C (50:40:10), where these materials had an open circuit potential of approximately 0,78 V and maximum power density of about 15 mW cm-2, about 333% higher than Pd/C.

Eletrocatalisadores baseados em Pd/C, PdCu/C, PdNi/C e PdAg/C foram produzidos pelo método de micro-ondas para serem utilizados como cátodo na célula a combustível alcalina na ausência e presença de álcool. Este método se mostrou bastante efetivo para a produção dos materiais, uma vez que as partículas apresentaram boa dispersão no suporte de carbono e produziram eletrocatalisadores com tamanho de partícula em torno de 3,5 nm, de acordo com as análises de DRX e MET. A partir das voltametrias cíclicas observa-se que para os eletrocatalisadores de PdCu/C e PdNi/C quanto maior a quantidade de Cu ou Ni, respectivamente, maior a área ativa do material estudado. Análises de disco anel rotatório foram realizadas nos eletrocatalisadores demonstrando que, independente da composição estudada, a quantidade produzida de peróxido foi de no máximo 4%. Estes dados corroboram com as inclinação das retas nas análises de Koutecky-Levich, uma vez que em ambos os casos a RRO ocorre via 4 elétrons. Análises de estabilidade dos materiais demonstraram que todos eles mantiveram ou melhoraram seu desempenho diante da RRO, quando se compara os dados obtidos antes e depois de 1000 ciclos voltamétricos. Testes de tolerância ao metanol e etanol foram realizados em meia célula com todas as composições de eletrocatalisadores produzidos. Na presença tanto de metanol quanto de etanol as composições atômica de 50:50, para todos os materiais estudados, foram as que demonstraram menor influência da presença do álcool durante a varredura linear da RRO. Nas medidas realizadas em célula unitária, com relação à tolerância ao metanol durante a RRO, o eletrocatalisador que demonstrou melhor desempenho foi o PdAg/C 70:30 enquanto que na presença de etanol o eletrocatalisador que demonstrou melhor desempenho foi o PdNi/C 70:30. / Pd/C, PdCu/C, PdNi/C and PdAg/C electrocatalysts were produced by microwave method to be used as cathode in alkaline fuel cell in the absence and presence of alcohol. This method showed to be effective for the materials production, the particles exhibited good dispersion in carbon support and it produced electrocatalysts with a particle size of about 3.5 nm, according to XRD and TEM analysis. In cyclic voltammetry is observed that PdCu/C and PdNi/C electrocatalysts has higher active area with higher amount of Cu and Ni, respectively. Rotating ring disk analysis in the electrocatalysts showed that the amount of peroxide produced was at most 4%. This data is similar to Koutecky-Levich analysis, once for both the ORR occurs via 4 electrons. Materials stability analysis showed that they kept or improve performance in ORR, comparing the data before and after 1000 voltammetric cycles. Tolerance tests in methanol and ethanol were performed in a half cell in all electrocatalysts compositions. In presence of methanol and ethanol the compositions 50:50, to all materials studied, showed less influence in the presence of alcohol in ORR linear scan. In alkaline fuel cell PdAg/C 70:30 showed better performance for ORR in presence of methanol and PdNi/C 70:30 showed better performance for ORR in ethanol presence.

Eletrocatalisadores baseados em Pd/C, PdCu/C, PdNi/C e PdAg/C foram produzidos pelo método de micro-ondas para serem utilizados como cátodo na célula a combustível alcalina na ausência e presença de álcool. Este método se mostrou bastante efetivo para a produção dos materiais, uma vez que as partículas apresentaram boa dispersão no suporte de carbono e produziram eletrocatalisadores com tamanho de partícula em torno de 3,5 nm, de acordo com as análises de DRX e MET. A partir das voltametrias cíclicas observa-se que para os eletrocatalisadores de PdCu/C e PdNi/C quanto maior a quantidade de Cu ou Ni, respectivamente, maior a área ativa do material estudado. Análises de disco anel rotatório foram realizadas nos eletrocatalisadores demonstrando que, independente da composição estudada, a quantidade produzida de peróxido foi de no máximo 4%. Estes dados corroboram com as inclinação das retas nas análises de Koutecky-Levich, uma vez que em ambos os casos a RRO ocorre via 4 elétrons. Análises de estabilidade dos materiais demonstraram que todos eles mantiveram ou melhoraram seu desempenho diante da RRO, quando se compara os dados obtidos antes e depois de 1000 ciclos voltamétricos. Testes de tolerância ao metanol e etanol foram realizados em meia célula com todas as composições de eletrocatalisadores produzidos. Na presença tanto de metanol quanto de etanol as composições atômica de 50:50, para todos os materiais estudados, foram as que demonstraram menor influência da presença do álcool durante a varredura linear da RRO. Nas medidas realizadas em célula unitária, com relação à tolerância ao metanol durante a RRO, o eletrocatalisador que demonstrou melhor desempenho foi o PdAg/C 70:30 enquanto que na presença de etanol o eletrocatalisador que demonstrou melhor desempenho foi o PdNi/C 70:30. / Pd/C, PdCu/C, PdNi/C and PdAg/C electrocatalysts were produced by microwave method to be used as cathode in alkaline fuel cell in the absence and presence of alcohol. This method showed to be effective for the materials production, the particles exhibited good dispersion in carbon support and it produced electrocatalysts with a particle size of about 3.5 nm, according to XRD and TEM analysis. In cyclic voltammetry is observed that PdCu/C and PdNi/C electrocatalysts has higher active area with higher amount of Cu and Ni, respectively. Rotating ring disk analysis in the electrocatalysts showed that the amount of peroxide produced was at most 4%. This data is similar to Koutecky-Levich analysis, once for both the ORR occurs via 4 electrons. Materials stability analysis showed that they kept or improve performance in ORR, comparing the data before and after 1000 voltammetric cycles. Tolerance tests in methanol and ethanol were performed in a half cell in all electrocatalysts compositions. In presence of methanol and ethanol the compositions 50:50, to all materials studied, showed less influence in the presence of alcohol in ORR linear scan. In alkaline fuel cell PdAg/C 70:30 showed better performance for ORR in presence of methanol and PdNi/C 70:30 showed better performance for ORR in ethanol presence.

Eletrocatalisadores Pt/C, Pd/C, PtAu/C, PtIr/C, PdAu/C, PdIr/C, PtAuIr/C e PdAuIr/C foram preparados via redução por borohidreto de sódio em diferentes proporções atômicas, com 20% em massa de metal e suportados em carbono Vulcan XC72 de alta área superficial. Os materiais foram caracterizados pelas técnicas de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX), análise de difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). A oxidação eletroquímica do etanol foi estudada por voltametria cíclica (VC) e cronoamperometria, utilizando a técnica do eletrodo de camada fina porosa e o estudo da oxidação eletroquímica de etanol \"in situ\" utilizando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Posteriormente os materiais foram testados em células à combustível alcalinas alimentadas diretamente com etanol. Os resultados demonstraram que houve formação de ligas, com tamanho médio de nanopartículas entre 4,0 - 10 nm. De acordo com os experimentos eletroquímicos os eletrocatalisadores ternários apresentaram maior atividade eletrocatalítica e os estudos em FTIR indicaram que o produto principal da oxidação eletroquímica de etanol em meio alcalino para todos eletrocatalisadores sintetizados foi o acetato, sugerindo que a oxidação ocorre de forma incompleta pelo mecanismo indireto. Os testes em célula mostraram os melhores resultados para PdAuIr/C (50:40:10) com o qual obteve-se potencial de circuito aberto de aproximadamente 0,78 V e densidade de potência máxima de aproximadamente 15 mW cm-2, cerca de 333% superior a Pd/C. / Pt/C, Pd/C, PtAu/C, PtIr/C, PdAu/C, PdIr/C, PtAuIr/C and PdAuIr/C electrocatalysts, were prepared by the sodium borohydride reduction process in different atomic proportions, with 20 wt.% of metal loading and supported on Vulcan XC72 carbon with high surface area. The materials were characterized by X-ray dispersive energy spectroscopy (EDX), X-ray diffraction analysis (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The ethanol electrochemical oxidation was studied by cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry and in situ using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) using the thin porous coating technique, Afterwards the materials were tested on direct ethanol alkaline fuel cells. The results suggest alloys formation, with the mean nanoparticles sizes are from 4 - 10 nm. According to the electrochemical experiments the ternary electrocatalysts presented higher electrocatalytic activity, while that the FTIR studies indicated that the main product of the electrochemical oxidation of ethanol in alkaline medium for all synthesized electrocatalysts was acetate, also suggesting that the oxidation occurs incompletely by the indirect mechanism. The fuel cell experiments showed the best results for PdAuIr/C (50:40:10), where these materials had an open circuit potential of approximately 0,78 V and maximum power density of about 15 mW cm-2, about 333% higher than Pd/C.

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Este trabalho teve por objetivo a pesquisa e o desenvolvimento de catalisadores formados por ligas formadoras de hidreto metálico (LaNi4,7Sn0,2Cu0,1, LaNi4,78Al0,22, LaNi4,78Mn0,22 e LaNi4,7Sn0,2Co0,1), com e sem depósitos de metais nobres (Pt, Au, Pd), para uso no ânodo de células a combustível alcalinas. Buscou-se o entendimento do mecanismo da reação de oxidação de boroidreto de sódio em meio alcalino nestes diferentes materiais em diferentes configurações de eletrodos e em diversas concentrações de boroidreto. As ligas foram preparadas pelo método de fusão em forno a arco e os metais nobres foram depositados por troca galvânica. A caracterização físico-composicional foi feita por energia dispersiva de raios X (EDS), análise elementar, difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Já a caracterização eletroquímica foi feita por voltametria cíclica, curvas de capacidade de descarga, curvas de polarização e espectrometria de massas eletroquímica online (OLEMS). Os resultados mostraram que a quantidade de material nobre presente nas ligas foi da ordem de 0,1 a 0,3 % e suas composições e organizações estruturais foram investigadas por EDS, DRX e MET. Os resultados eletroquímicos mostraram que o estado de hidretação da liga base é um fator importante na definição da cinética da reação de oxidação de boroidreto e que a extensão da formação de hidreto é dependente da velocidade do processo de hidrólise dos íons boroidreto, da capacidade da liga em estocar hidrogênio e da cinética de difusão dos átomos de hidrogênio atômico no interior das ligas. A atividade para a reação direta de oxidação de boroidreto foi baixa para as ligas que não continham em suas composições os metais nobres, entretanto a taxa de hidrólise para estes foi menor e a capacidade de armazenamento de hidrogênio foi maior. Os resultados também mostraram, para todas as diferentes composições, que as ligas podem ser carregadas com hidrogênio atômico tanto eletroquimicamente quanto pela exposição à solução de boroidreto. Foi observado que houve contínua hidretação de todas as ligas durante ensaios cronoamperométricos na presença de boroidreto. Esses fenômenos indicaram que a liga LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 sem a deposição de metais nobres é a mais indicada para uma futura aplicação em um sistema DBFC/MHB (célula a combustível de boroidreto direto/bateria de hidreto metálico). / This work provides insights into the processes involved in the borohydride oxidation reaction (BOR) and hydrogen oxidation reaction in alkaline media on metal hydride alloys formed by LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 and LaNi4.78Al0.22 with and without deposited Pt, Pd and Au, LaNi4,78Mn0,22 and LaNi4,7Sn0,2Co0,1. Measurements of BET, TEM, in situ XRD, DRIFTS, RRDE (gold ring) and OLEMS were made with the aim to characterize all the materials by different methodologies. The present investigation showed that the state of hydriding of LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 and LaNi4.78Al0.22 is important in defining the kinetics and outcome of the BOR at these materials. The extent of hydride formation has been shown to depend on the rate of the BH4- hydrolysis, the hydrogen storage capacity of the alloy, and kinetics of H atom diffusion inside the alloy. The activity for the direct BOR is low in both bare metal hydride alloys, but the rate of the BH4- hydrolysis and the hydrogen storage capacity are higher, while the rate of H diffusion is slower in the bare LaNi4.78Al0.22. Results have shown that both the bare and all the noble metal modified alloys can be hydrided either electrochemically or by exposure to BH4- solutions, although for the LaNi4.78Al0.22-based materials the extent of this phenomenon is smaller. A continuous hydriding of all LaNi4.7Sn0.2Cu0.1-based and the bare LaNi4.78Al0.22 alloys are observed in the chronoamperometric BH4- oxidation measurements at low current densities. Addition of Pt on both alloys resulted in an increase of the BH4- hydrolysis, but the H2 formed is rapidly oxidized, confirming the initial predictions for this noble metal. In addition, the rates of the alloy hydriding/de-hydriding were not significantly affected by the presence of Pt, but this was not the case for Pd and Au, for which there was a drastic reduction of the rate of these processes. In the case of gold some increase of the BH4- hydrolysis is observed, although its presence does not change significantly the performances of the bare alloys. It was possible to confirm the formation of BH3OH- for all the samples by RRDE measurements, however for LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 the formation of this product was lower compared to the other samples. Results showed that the first step of the electrode process is the hydriding of alloy by the hydrogen formed in the BH4- hydrolysis. The in situ XRD results have shown that the method of charging of the alloy, electrochemical or chemical, leads to different phase predominance and different site occupancies, but both methods lead to almost the same discharge capacity. In the electrolysis process, the α-β phase transition is predominant while in the chemical charging by the exposure to borohydride solution the α-β phase transition is more important. The results have also shown that the alloys with and without Pt lead essentially to the same phenomena, either with respect to the alloy structure and the electrochemical characteristics. All these phenomena point to the bare LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 as a more adequate alloy system for applications in DBFC/MHB batteries.

A reação de redução de oxigênio (RRO) foi estudada em eletrodos lisos de platina e prata recobertos com filmes de quitosana e em eletrodos porosos de Pt/C, Ag/C, MnyOx/C e TiO2/C na ausência e na presença de filmes à base de quitosana, em eletrólito alcalino. Nestes estudos foram empregadas curvas de polarização em estado estacionário, obtidas em eletrodos de disco rotatório (EDR) e em células a combustível alcalina (CCA) unitárias, através das quais foram construídos os correspondentes diagramas de curvas de Tafel e os gráficos de Levich. Os estudos realizados em EDRs permitiram estabelecer-se uma boa compreensão da atividade catalítica e dos mecanismos envolvidos na RRO. Foi observada uma diminuição da atividade eletrocatalítica dos eletrodos metálicos (Pt e Ag lisos e porosos) quando na presença dos filmes de quitosana, havendo também uma mudança no mecanismo da reação. Assim, nos experimentos de EDR verificou-se que em altas densidades de corrente a etapa determinante da velocidade é a adsorção do oxigênio, em contraste com os eletrodos sem o filme para os quais a etapa determinante é a difusão do oxigênio. Nestes casos não foi possível calcular o número de elétr. Já, nos casos dos eletrodos de MnyOx/C e TiO2/C não foi observada nenhuma diminuição significativa na atividade eletrocatalítica destes materiais na presença dos filmes de quitosana, assim como no mecanismo da reação na presença dos filmes (inclusive no número de elétrons envolvidos na reação), apesar de se notar um pequeno aumento nos valores dos coeficientes de Tafel. Foram também realizados testes de alguns dos materiais como cátodos em células a combustível alcalinas unitárias alimentadas com hidrogênio/oxigênio, tendo sido verificado que o desempenho é promissor, apesar de ser inferior ao de células com eletrólito de membrana ácidas. / The oxygen reduction reaction was studied on smooth platinum and silver electrodes recovered with chitosan films and on Pt/C, Ag/C, MnyOx/C e TiO2/C porous electrodes in the presence or absence of chitosan-based films in alkaline electrolyte. These studies were carried out using steady state polarization measurement, obtained in a rotating disc electrode (RDE) and in alkaline fuel cells (AFC) (single cell), from which the corresponding Tafel curves and Levich plots were built. The studies carried out using the RDE had allowed establishing a good understanding of the catalytic activity and of the involved RRO mechanisms. A reduction in the electrocatalytic activity of the metallic electrodes and a change in the reaction mechanism (Pt and Ag smooth and porous) were caused by the presence of the chitosan films Thus, the RDE experiments showed that at high current densities the rate determining step of the ORR is the oxygen adsorption, in contrast to the electrodes without the film for which the rate determining step is the oxygen diffusion. In these cases it was not possible to calculate the number of electrons involved in the reaction. In the cases of the MnyOx/C and TiO2/C electrodes no significant change in the electrocatalytic activity, as well as in the reaction mechanism were caused due to the presence of the films (also in the number of electrons involved in the reaction), although a small increase in the Tafel coefficient values was noted. Also, tests of some of the materials as cathodes in AFC single cells with hydrogen/oxygen were carried out. These results showed that the performance is promising, although inferior to those of acid membrane electrolyte fuel cells.

Este trabalho teve por objetivo a pesquisa e o desenvolvimento de catalisadores formados por ligas formadoras de hidreto metálico (LaNi4,7Sn0,2Cu0,1, LaNi4,78Al0,22, LaNi4,78Mn0,22 e LaNi4,7Sn0,2Co0,1), com e sem depósitos de metais nobres (Pt, Au, Pd), para uso no ânodo de células a combustível alcalinas. Buscou-se o entendimento do mecanismo da reação de oxidação de boroidreto de sódio em meio alcalino nestes diferentes materiais em diferentes configurações de eletrodos e em diversas concentrações de boroidreto. As ligas foram preparadas pelo método de fusão em forno a arco e os metais nobres foram depositados por troca galvânica. A caracterização físico-composicional foi feita por energia dispersiva de raios X (EDS), análise elementar, difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Já a caracterização eletroquímica foi feita por voltametria cíclica, curvas de capacidade de descarga, curvas de polarização e espectrometria de massas eletroquímica online (OLEMS). Os resultados mostraram que a quantidade de material nobre presente nas ligas foi da ordem de 0,1 a 0,3 % e suas composições e organizações estruturais foram investigadas por EDS, DRX e MET. Os resultados eletroquímicos mostraram que o estado de hidretação da liga base é um fator importante na definição da cinética da reação de oxidação de boroidreto e que a extensão da formação de hidreto é dependente da velocidade do processo de hidrólise dos íons boroidreto, da capacidade da liga em estocar hidrogênio e da cinética de difusão dos átomos de hidrogênio atômico no interior das ligas. A atividade para a reação direta de oxidação de boroidreto foi baixa para as ligas que não continham em suas composições os metais nobres, entretanto a taxa de hidrólise para estes foi menor e a capacidade de armazenamento de hidrogênio foi maior. Os resultados também mostraram, para todas as diferentes composições, que as ligas podem ser carregadas com hidrogênio atômico tanto eletroquimicamente quanto pela exposição à solução de boroidreto. Foi observado que houve contínua hidretação de todas as ligas durante ensaios cronoamperométricos na presença de boroidreto. Esses fenômenos indicaram que a liga LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 sem a deposição de metais nobres é a mais indicada para uma futura aplicação em um sistema DBFC/MHB (célula a combustível de boroidreto direto/bateria de hidreto metálico). / This work provides insights into the processes involved in the borohydride oxidation reaction (BOR) and hydrogen oxidation reaction in alkaline media on metal hydride alloys formed by LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 and LaNi4.78Al0.22 with and without deposited Pt, Pd and Au, LaNi4,78Mn0,22 and LaNi4,7Sn0,2Co0,1. Measurements of BET, TEM, in situ XRD, DRIFTS, RRDE (gold ring) and OLEMS were made with the aim to characterize all the materials by different methodologies. The present investigation showed that the state of hydriding of LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 and LaNi4.78Al0.22 is important in defining the kinetics and outcome of the BOR at these materials. The extent of hydride formation has been shown to depend on the rate of the BH4- hydrolysis, the hydrogen storage capacity of the alloy, and kinetics of H atom diffusion inside the alloy. The activity for the direct BOR is low in both bare metal hydride alloys, but the rate of the BH4- hydrolysis and the hydrogen storage capacity are higher, while the rate of H diffusion is slower in the bare LaNi4.78Al0.22. Results have shown that both the bare and all the noble metal modified alloys can be hydrided either electrochemically or by exposure to BH4- solutions, although for the LaNi4.78Al0.22-based materials the extent of this phenomenon is smaller. A continuous hydriding of all LaNi4.7Sn0.2Cu0.1-based and the bare LaNi4.78Al0.22 alloys are observed in the chronoamperometric BH4- oxidation measurements at low current densities. Addition of Pt on both alloys resulted in an increase of the BH4- hydrolysis, but the H2 formed is rapidly oxidized, confirming the initial predictions for this noble metal. In addition, the rates of the alloy hydriding/de-hydriding were not significantly affected by the presence of Pt, but this was not the case for Pd and Au, for which there was a drastic reduction of the rate of these processes. In the case of gold some increase of the BH4- hydrolysis is observed, although its presence does not change significantly the performances of the bare alloys. It was possible to confirm the formation of BH3OH- for all the samples by RRDE measurements, however for LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 the formation of this product was lower compared to the other samples. Results showed that the first step of the electrode process is the hydriding of alloy by the hydrogen formed in the BH4- hydrolysis. The in situ XRD results have shown that the method of charging of the alloy, electrochemical or chemical, leads to different phase predominance and different site occupancies, but both methods lead to almost the same discharge capacity. In the electrolysis process, the α-β phase transition is predominant while in the chemical charging by the exposure to borohydride solution the α-β phase transition is more important. The results have also shown that the alloys with and without Pt lead essentially to the same phenomena, either with respect to the alloy structure and the electrochemical characteristics. All these phenomena point to the bare LaNi4.7Sn0.2Cu0.1 as a more adequate alloy system for applications in DBFC/MHB batteries.

Magister Scientiae - MSc (Chemistry) / The anode catalyst is one of the important parts of the direct alcohol fuel cell (DAFC); it is responsible for the alcohol oxidation reaction (AOR) takes place at the anode side. Pd has been reported to have good alcohol oxidation reactions and good stability in alkaline solution. Better stability and activity has been reported for Pd alloyed catalysts when compared to Pd. Choosing a suitable alcohol also has an effect on the activity and stability of the catalyst. This study investigates the best catalyst with better AOR and the best stability and also looks at the better alcohol to use between glycerol and ethanol for the five in-house catalysts (20% Pd, PdNi, PdNiO, PdMn3O4 and PdMn3O4NiO on multi walled carbon nanotubes) using cyclic voltammetry (CV), linear sweep voltammetry (LSV), electrochemical impedance spectrometry (EIS) and chronoamperometry. HR-TEM and XRD techniques were used to determine the particle size and average particle size, respectively while EDS used to determine elemental composition and ICP was used to determine catalyst loading. It was observed from LSV that PdNiO was the most active catalyst for both ethanol and glycerol oxidation, and it was the most stable in ethanol while PdMn3O4 proved to be the most stable catalyst in glycerol observed using chronoamperometry. The best alcohol in this study was reported to be glycerol having given the highest current densities for all the inhouse catalysts compared to ethanol observed using LSV. From XRD and HR-TEM studies, particle sizes were in the range of 0.97 and 2.69 nm for XRD 3.44 and 7.20 nm for HR-TEM with a little agglomeration for PdMn3O4 and PdMn3O4NiO.