Magister Scientiae - MSc / Nano-devices are the next step in the application of nanomaterials in modern technology. One area of research that is receiving an increased amount of attention globally is the fabrication of new nano-devices for applications in hydrogen energy technologies. The current work focuses on the synthesis and characterization of nano-devices with potential application in alkaline electrolysis and secondary polymer lithium ion batteries. Previous work with Nickel micro-wires demonstrated the potential to use these nanomaterials as electrodes in alkaline electrolysis. Carbon nanotubes have been shown to posse excellent electrochemical properties. A new direction in research is explored by combining nickel micro-wires with CNT, a new consolidated composite carbon nanocomposite can be realized and the characterization of such a novel composite was the focus of this thesis. Novel composite carbon nanomaterials were synthesized using an electrochemical template technique and a hydrocarbon pyrolysis step. The first step involved the deposition of nickel within the pores of ion track etched Polyethylene terephthalate (PET) membrane; with pore diameters of 1μ, 0.4μ and 0.2 μ. Electrochemical deposition of nickel was carried out galvanostatically in a nickel hard bath between 35-40°C, and using a deposition current density of 75 mAcm2. Carbon nanotubes were then deposited directly onto the surface of the nickel micro-wires via a chemical vapour deposition (CVD) technique using liquid petroleum gas (LPG) as the carbon source. CVD was done at a temperature of 800°C and the deposition time was 5 minutes. The morphology and structural studies of these novel composite nanomaterials were studied by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD). Electrochemical investigations were done using Cyclic Voltammetry (CV), Chronoamperometry (CA) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). After removal of the template, before CNT CVD growth, SEM images revealed free standing arrays of nickel micro-wires, and after CNT growth via CVD the SEM micrographs showed that the morphology of the Ni micro-wires was moderately altered by the CVD process. From the XRD results it was shown that the crystallinity of the Nimicro-wires was persevered after the CVD process. The XRD of the nickel micro-wires with CNT grown directly on the surface revealed the characteristic CNT peak at 2θ =24.60. Cyclic Voltammetry (CV) was performed on the consolidated composite nanomaterial in an alkaline solution. The CV revealed that the novel composite carbon nanomaterial was the most active for hydrogen evolution when compared to unmodified Ni micro-wires and a flat nickel electrode. This was attributed to the increase in electrochemical accessible surface area. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) showed that the novel composite carbon nanomaterial had a much higher capacitance than the nickel micro-wires, a flat nickel electrode, a flat nickel substrate modified with CNT, and a graphite electrode. When a similar comparison was done using a commercially available anode for lithium ion battery applications, the novel consolidated composite carbon nanomaterial had double the capacitance of the commercial anode. The consolidated composite carbon nanomaterial was modified by depositing Pt on to the surface of the CNT via electroless deposition. The presence of Pt was determined by Energy dispersive spectrometry and the electrocatalytic activity of the Pt modified consolidated composite carbon nanomaterial was significantly improved. The work presented in this thesis provides a new and unique direction in the synthesis and application of novel consolidated carbon nanomaterials through true synergistic effect between nickel micro-wires and CNT. The exploration of the characteristics of the system and the ability to functionalize the CNT with different moieties allows for a wide range of application in energy conversion devices. / South Africa

<p>The current work focuses on the synthesis and characterization of nano-devices with potential application in alkaline electrolysis and secondary polymer lithium ion batteries.</p>

<p>The current work focuses on the synthesis and characterization of nano-devices with potential application in alkaline electrolysis and secondary polymer lithium ion batteries.</p>

Frente a um panorama de escassez de combustível convencional fóssil e disponibilidade hidráulica para a produção de energia elétrica, fontes alternativas de energia renovável se tornam cada vez mais urgentes e necessárias. O hidrogênio é o elemento químico mais abundante disponível no planeta, tornando-se um potente candidato para suprir essa escassez de energia, pois, é capaz de conter um grande potencial energético comparável aos combustíveis fósseis, como a gasolina ou carvão. Sendo ele um vetor energético, não se tem a possibilidade de sua \"extração\" direta, porém, técnicas de obtenção do hidrogênio são bastante flexíveis, conhecidas e utilizadas comercialmente. Este trabalho teve como objetivo o estudo e construção de um sistema para produção de energia limpa a partir da produção de hidrogênio gasoso por eletrólise da água em meio alcalino, fazendo uso de um painel fotovoltaico como fonte alternativa de energia elétrica, bem como, a análise da eficiência energética desta produção. Para garantir a obtenção dos gases hidrogênio e oxigênio separadamente foi utilizada uma membrana separadora de gases, o Zirfon&reg; Perl, permitindo a eletrólise pelo eletrolisador projetado e construído especificamente para este estudo, sem a necessidade de um sistema de circulação do eletrólito. Para uma análise comparativa das eficiências, produziu-se hidrogênio por eletrólise alcalina de uma solução aquosa de KOH (1M) com energia fornecida por uma fonte externa DC e por um painel solar ligado diretamente ao eletrolisador. O cálculo dessa eficiência foi feito pela relação entre a energia fornecida à eletrólise pelas fontes (solar e externa) e a energia do hidrogênio produzido com base no seu poder calorífico inferior (LHV). Além disso, curvas de carga de tensão e corrente do painel solar foram levantadas e estudadas para garantir a efetividade da ligação direta com o eletrolisador, bem como ensaios de EIE (Espectroscopia de Impedância Eletroquímica) foram realizados para análise da corrosão do eletrodo anódico e determinação da resistência ôhmica do sistema eletrolisador. Foram realizadas medidas e obtidas a eficiência energética com quatro montagens de sistemas eletrolisadores: 4 células com suprimento de energia por uma fonte externa DC, resultando em uma eficiência de 48,21%; 4 células e painel solar, 44,85%; 1 célula e fonte externa, 23,52 %; 1 célula e painel solar, 23,10%. Também foram calculadas eficiências energéticas da produção do hidrogênio em função do aumento de energia fornecida à eletrólise. Todas as aquisições dos parâmetros da eletrólise foram realizadas com um sistema automático projetado e construído especificamente para este trabalho, de forma que os dados foram obtidos a cada segundo, fornecendo valores em tempo real. Os resultados obtidos, tanto sobre os parâmetros importantes para que uma eletrólise para produção de hidrogênio possa se tornar eficiente energeticamente, como sobre as soluções para o desenvolvimento de um sistema com painel fotovoltaico que alimente diretamente o eletrolisador, serão de vital importância para continuação da pesquisa que envolva a utilização otimizada do hidrogênio em locais onde a energia elétrica proveniente de concessionárias seja escassa ou até mesmo inexistente. / The scenario of conventional fuel shortages (fossil and hydraulic availability for the production of electricity) shows us that alternative sources of renewable energy become more urgent and necessary. Hydrogen is the most abundant chemical element available on the planet, making it a potent candidate to address this energy shortage, since it is able to contain a large energy potential comparable to fossil fuels such as gasoline or coal. Being an energetic vector, one does not have the possibility of its direct \"extraction\", but techniques of obtaining hydrogen are quite flexible, known and used commercially. The objective of this work was the study and construction of a system for the production of clean energy from the production of gaseous hydrogen by electrolysis of water in alkaline medium, making use of a photovoltaic panel and an external source of electric energy, as well as the analysis the energy efficiency of this production. In order to guarantee the hydrogen and oxygen gases separately, a gas separation membrane, Zirfon&reg; Perl, was used allowing electrolysis by the electrolyzer, designed and built specifically for this study, without the need for an electrolyte circulation system. For a comparative analysis of efficiencies, hydrogen was produced by alkaline electrolysis of an aqueous solution of KOH (1M) with energy supplied by an external DC source and by a solar panel connected directly to the electrolyser. The calculation of this efficiency was made by the relation between the energy supplied to the electrolysis by the sources (solar and external) and the energy of the hydrogen produced based on its Lower Heat Value (LHV). In addition, voltage and current load curves of the solar panel were collected and studied to ensure the effectiveness of the direct connection with the electrolyser, as well as IEE (Electrochemical Impedance Spectroscopy) tests were carried out to analyze the corrosion of the anodic electrode and determination of the ohmic resistance of the electrolyser system. Measurements and energy efficiency were obtained with four electrolyser systems assemblies: 4 cells with energy supply by an external DC source, resulting in an efficiency of 48.21%; 4 cells and solar panel, 44.85%; 1 cell and external source, 23,52%; 1 cell and solar panel, 23.10%. Energy efficiencies of hydrogen production were also calculated as a function of the increase in energy supplied to the electrolysis. All the electrolysis parameters were acquired with an automated system designed and built specifically for this work, so that the data were obtained every second, providing real-time values. The results obtained in this work, both on the important parameters so that an electrolysis for hydrogen production can become energy efficient, and on the solutions for the development of a system with photovoltaic panel that directly feed the electrolyser, will be of vital importance for continuation of the research that involves the optimized use of hydrogen in places where the electric energy coming from concessionaires is scarce or even non-existent.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In many hydroelectric power plants, while the water inflows are greater than demand, part of this water that could be used to generate energy is spilled by the dam gates and literally wasted. This dissertation discusses the use of this wasted hydroelectric potential for hydrogen (H2) generation through water electrolysis. The usage of this hydrogen can happen not only in vehicle engines or industrial applications, but in energy generation through fuel cells and behaving as an energy vector. The H2 production by electrolysis requires an energy source for its processing. This dissertation aims at to mitigate this issue by the use of the secondary energy. Besides the H2 generation aspects, it is presented the complete mathematic model of alkaline electrolyzers. With respect to the wasted hydroelectric potential approach it must be taken into account that alternative sources of energy are settled onto three bases: the energy source itself, the distribution grid and the interconnection energy source-to-grid (or source-to-load). Looking at this fact, the source connection and disconnection from the grid is a challenge for systems engineering. For this dissertation the simulation of Voltage Source Inverters (VSI) was selected to represent the islanded and grid tied conditions. For that, it is proposed an anti-islanding algorithm used to protect the system against faults that may occur in the grid. A reconnection algorithm is also included to obtain the synchronism of the alternative source with the electric grid. To control these inverters, two control techniques are presented along this text: DQ-frame and the proportional and resonant (P+Resonant) control. These control techniques are simulated to evaluate the application efficiency of such controllers. Additionally a smart control in perspectives of the smart grid was also developed and it is proposed in this dissertation. A smart grid integrated to the distribution system allows aggregation of efficient actions of all agents related to electricity services and so strategically making available the electricity goods and services. In this context, based on real-time spot pricing of the electricity obtained from the utility using an advanced metering device, the inverter control algorithm determines the optimal operating mode. This algorithm enables the inverter to: a) schedule local loads; b) determine either to local storage or selling of energy to the grid. Finally, it is shown that on-line fault detection in the system can also make possible a fast restoration of most contingence situations. / Em muitas Usinas Hidrelétricas, quando as afluências de água são maiores que a demanda, uma parcela desta água que ainda poderia ser utilizada para gerar energia é desviada para o vertedouro e literalmente desperdiçada. Esta energia recebe a denominação de Energia Vertida Turbinável (EVT). Essa dissertação discute o aproveitamento da EVT para produção de hidrogênio através da eletrólise da água. O uso desse hidrogênio pode ocorrer não apenas em motores de veículos ou aplicações industriais, mas na própria geração de energia elétrica em células a combustível, agindo como vetor energético. A produção de H2 por eletrólise da água convencionalmente necessita de uma fonte de energia para o processo. Essa dissertação sugere a mitigação deste problema pela utilização de energia secundária. Além de aspectos para produção de H2, é apresentada uma modelagem matemática completa de todo este processo envolvendo os eletrolisadores alcalinos. Na abordagem da EVT há que se levar em conta que as fontes alternativas em geral estão assentadas em três fundamentos: a fonte de energia, a rede de distribuição e a interconexão fonte de energia-rede (ou fonte-carga). Com vistas a este fato, a desconexão e re-conexão entre a fonte e a rede pode ser um problema desafiador para a engenharia de sistemas. Para esta dissertação, selecionou-se a simulação dos Inversores VSI (Voltage Source Inverters) como resposta para as condições de ilhamento e conexão à rede elétrica. Para isto, propõe-se um algoritmo anti-ilhamento que visa a proteção contra as faltas que possam ocorrer na rede e um algoritmo de re-conexão à rede, incluindo o meio de sincronismo da fonte alternativa com a rede. Para controlar tais inversores, duas técnicas são apresentadas ao longo deste texto: utilizando as transformações DQ e controle proporcional e ressonante (P+Resonant). Essas duas técnicas de controle são simuladas para se avaliar a eficiência da aplicação de tais controladores. Em adicional, foi desenvolvido um controle inteligente diferenciado com perspectivas ao Smart Grid. O Smart Grid integrado aos sistemas de distribuição permite agregar de forma eficiente as ações de todos os agentes ligados a ele para que, de forma estratégica, sejam disponibilizados bens e serviços de eletricidade. Neste contexto, o controle inteligente proposto para inversores de conexão com rede a utiliza técnicas de gerenciamento pelo lado da demanda e ainda determina automaticamente o ponto ótimo de operação do inversor, possibilitando assim o planejamento e arranjo de cargas locais e a determinação de quando deve ser armazenada energia ou vendida para a rede. Mostra-se finalmente que a detecção das falhas no sistema também poderá ser praticada de forma a se poder atuar rapidamente no restabelecimento das situações de contingência.