Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-graduação em Química / Made available in DSpace on 2013-03-04T20:11:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 309428.pdf: 3162340 bytes, checksum: 3d22f21c7f9baaf77beed6601aab92a9 (MD5) / Membranas compósitas com características de condutividade protônica tem sido estudadas como uma alternativa para aplicação em célula a combustível. O objetivo deste trabalho foi preparar e caracterizar membranas compósitas para a aplicação em células a combustível. Para aplicação em células que operam abaixo de 90 °C foram preparadas e caracterizadas membranas de poli(vinil álcool) e ácido sulfosuccínico (PVAL/SSA) dopadas com nanopartículas de boehmita ou dióxido de zircônio estabilizadas com ítrio (YSZ). As membranas apresentaram as características requeridas para a aplicação proposta e foi observado que a presença das nanopartículas nas membranas promoveram um decréscimo no valor da condutividade protônica, sendo o efeito mais significativo nas membranas com menor quantidade de SSA. Verificouse um melhor desempenho das membranas compósitas com as nanopartículas de boehmita nos testes de célula a combustível alimentada a H2 do que quando alimentada com metanol. As membranas mostraram características promissoras para a aplicação em células a combustível de baixa temperatura. Para aplicação em células a combustível de alta temperatura (160 °C) foram sintetizados os polímeros poli(benzimidazol) (PBI) e poli(2,5-benzimidazol) (ABPBI) e preparadas membranas sem e com nanopartículas de YSZ, utilizando o método direct casting. Os polímeros e membranas compósitas foram caracterizados e avaliada a eficiência do método de preparo das membranas, bem como a aplicação em célula a combustível que opera a alta temperatura. As membranas apresentaram alto grau de dopagem e consequentemente elevados valores de condutividade protônica. As membranas de PBI foram testadas em célula a combustível, a temperatura de 160 °C utilizando como combustível hidrogênio ou metanol. O desempenho das membranas foi melhor na célula a combustível utilizando o hidrogênio do que o metanol, sendo que a membrana de PBI sem nanopartículas apresentou melhor desempenho que a membrana de PBI com YSZ para os combustíveis estudados. / Composite membranes with proton conductivity characteristics have been studied as an alternative for application in fuel cell. The objective of this study was to prepare and test the application of composite membranes in fuel cells. For application in fuel cells operating below 90 ° C membranes of poly(vinyl alcohol) and sulfosuccinic acid (PVAL/SSA) doped with nanoparticles of boehmite and nanoparticles of zirconium dioxide stabilized with yttrium (YSZ) were prepared and characterized. The membranes showed the characteristics required for the proposed application and it was observed that the presence of the nanoparticles in the membrane caused a decrease in the proton conductivity, and the most significant effect was on the membranes with smaller quantities of SSA. There was a better performance of the composite membranes with the nanoparticles of boehmite in the fuel cells test fed to H2 which when fed with methanol. The membranes showed promising characteristics for application in fuel cells at low temperature. For application in fuel cells high temperature (160 ºC) polybenzimidazole (PBI) and poly(2,5-benzimidazole) (ABPBI) polymers were synthesized and the membranes were prepared without and with YSZ nanoparticles by direct casting method. The polymers and membranes were characterized and the efficiency of the method of preparation and application of the membranes in fuel cells operating at temperature of 160 ºC evaluated. The membranes present high degree of doping and consequently high values of proton conductivity. PBI membranes were tested in fuel cell at temperature of 160 ° C using H2 or methanol as fuel. The membrane performance was better in the fuel cell using the hydrogen that methanol, and the PBI membrane without nanoparticles showed better performances than the PBI membrane with YSZ in both cases.

Óxidos e hidróxidos de alumínio vêm sendo alvo de estudos no Laboratório de Matérias-Primas Particuladas Prof. Pérsio de Souza Santos (LPSS) nas últimas seis décadas. Várias rotas de síntese de mono- e tri-hidróxidos foram pesquisadas, bem como as transformações térmicas desses materiais em aluminas de transição e alumina-alfa. Mais recentemente, a síntese de boemita a partir do tratamento hidrotérmico de gibsita vem sendo o principal objeto dos estudos realizados no LPSS. Nesta Tese, a síntese hidrotérmica de boemita a partir de uma gibsita Bayer comercial foi estudada. Os cristais produzidos foram caracterizados por difração de raios X (DRX), por análises térmicas (TGA e DTA) e por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Diferentes morfologias de cristais de boemita foram obtidas - cristais com dimensionalidade \"3D\" (cubos e paralelepípedos), \"2D\" (placas espessas, placas finas e placas alongadas) e \"1D\" (placas alongadas e ripas) por meio da variação da composição do meio reacional inicial. Reações conduzidas em meios com pH característico de suspensões de gibsita em água (pH alcalino) resultaram em cristais com morfologia \"3D\" ou \"2D espessa\", enquanto reações conduzidas em meio acidificado (pH = 2,0) resultaram em cristais com morfologia \"2D\". Reações conduzidas em meios acidificados contendo íon acetato levaram a cristais com morfologia \"2D fina e alongada\" ou morfologia \"1D\", dependendo da relação molar [Al : acetato] inicial de íon acetato (morfologia \"1D\" necessita de uma relação molar de no mínimo 1mol Al : 1mol acetato). Os cristais com morfologia \"1D\" e \"2D fina\" apresentaram espessuras nanométricas. A evolução térmica dos cristais de boemita produzidos foi estudada após aquecimentos entre 200ºC e 1200ºC. Todas as boemitas seguiram as transformações térmicas da chamada \"série ?\" , independentemente da sua morfologia, ou seja: boemita -> alumina-? -> alumina-? / alumina-? -> alumina-?. A temperatura de transformação da boemita em alumina-? é afetada pela morfologia dos cristais, ocorrendo em temperaturas mais baixas nos materiais com cristais de espessura nanométrica (morfologias \"1D\" e \"2D fina\"). Alumina-? com diferentes morfologias e diferentes áreas específicas (determinadas pelo método BET aplicado a isotermas de adsorção de nitrogênio gasoso a 77K) foram obtidas: 136 m2/g para alumina-? \"1D\"; 73,4 m2/g para alumina-? \"2D fina e alongada\"; 40,3 m2/g para alumina-? \"3D\". Foi possível, portanto, obter aluminas de transição potencialmente interessantes para aplicações industriais dadas as elevadas áreas específicas observadas. / Aluminum oxides and hydroxides have been the subject of studies in Laboratório de Matérias-Primas Particuladas Prof. Pérsio de Souza Santos (LPSS) in the last six decades. Several synthesis routes for mono- and tri-hydroxides were investigated as well as the thermal processing of these materials into transition aluminas and alpha-alumina. More recently, the synthesis of boehmite from the hydrothermal treatment of gibbsite has been the main object of studies in LPSS. In this Thesis, the hydrothermal synthesis of boehmite from a commercial Bayer gibbsite was studied. The crystals produced were characterized by X-ray diffraction (XRD), thermal analysis (TGA and DTA) and scanning electron microscopy (SEM). Different boehmite crystal morphologies were obtained - crystals \"3D\" (cubes and parallelepipeds), \"2D\" (thick plates, thin and elongated plates) and \"1D\" (elongated plates and strips) by varying the composition the initial reaction medium. Reactions conducted in media with characteristic pH of gibbsite suspension in water (alkaline pH) resulted in crystals with morphologies \"3D\" or \"thick 2D\" while reactions carried out in acidic medium (pH = 2.0) resulted in crystals with morphology \"2D\". Reactions carried out in acidic media containing acetate ion led to crystals with a \"thin and elongated 2D\" morphology or \"1D\" morphology, depending on the pristine [Al: acetate]. molar ratio (\"1D\" morphology requires a pristine molar ratio of at least 1mol Al: 1mol acetate). Crystals with \"1D\" or \"2D thin\" morphologies presented nanometric thickness. The thermal evolution of boehmite crystals produced was studied after heating between 200oC and 1200oC. All boehmites following thermal \"?-series\" transformation, regardless of their morphology, that is: boehmite -> ?-alumina -> ?-alumina /?-alumina -> ?-alumina. The transformation temperature of boehmite into ?-alumina is affected by crystal morphology, occurring at lower temperatures in the materials with nanometer thick crystals (\"1D\" and \"2D thin\" morphologies). ?-alumina with different morphologies and different specific surface areas (determined by BET method applied to adsorption isotherms of gaseous nitrogen at 77K) were obtained: 136 m2/g for ?-alumina \"1D\"; 73.4 m2/g for ?-alumina \"thin and elongated 2D\"; 40.3 m2/g for ?-alumina \"3D\". It was therefore possible to obtain transition aluminas potentially interesting for industrial applications given the high specific surface areas observed.

Óxidos e hidróxidos de alumínio vêm sendo alvo de estudos no Laboratório de Matérias-Primas Particuladas Prof. Pérsio de Souza Santos (LPSS) nas últimas seis décadas. Várias rotas de síntese de mono- e tri-hidróxidos foram pesquisadas, bem como as transformações térmicas desses materiais em aluminas de transição e alumina-alfa. Mais recentemente, a síntese de boemita a partir do tratamento hidrotérmico de gibsita vem sendo o principal objeto dos estudos realizados no LPSS. Nesta Tese, a síntese hidrotérmica de boemita a partir de uma gibsita Bayer comercial foi estudada. Os cristais produzidos foram caracterizados por difração de raios X (DRX), por análises térmicas (TGA e DTA) e por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Diferentes morfologias de cristais de boemita foram obtidas - cristais com dimensionalidade \"3D\" (cubos e paralelepípedos), \"2D\" (placas espessas, placas finas e placas alongadas) e \"1D\" (placas alongadas e ripas) por meio da variação da composição do meio reacional inicial. Reações conduzidas em meios com pH característico de suspensões de gibsita em água (pH alcalino) resultaram em cristais com morfologia \"3D\" ou \"2D espessa\", enquanto reações conduzidas em meio acidificado (pH = 2,0) resultaram em cristais com morfologia \"2D\". Reações conduzidas em meios acidificados contendo íon acetato levaram a cristais com morfologia \"2D fina e alongada\" ou morfologia \"1D\", dependendo da relação molar [Al : acetato] inicial de íon acetato (morfologia \"1D\" necessita de uma relação molar de no mínimo 1mol Al : 1mol acetato). Os cristais com morfologia \"1D\" e \"2D fina\" apresentaram espessuras nanométricas. A evolução térmica dos cristais de boemita produzidos foi estudada após aquecimentos entre 200ºC e 1200ºC. Todas as boemitas seguiram as transformações térmicas da chamada \"série ?\" , independentemente da sua morfologia, ou seja: boemita -> alumina-? -> alumina-? / alumina-? -> alumina-?. A temperatura de transformação da boemita em alumina-? é afetada pela morfologia dos cristais, ocorrendo em temperaturas mais baixas nos materiais com cristais de espessura nanométrica (morfologias \"1D\" e \"2D fina\"). Alumina-? com diferentes morfologias e diferentes áreas específicas (determinadas pelo método BET aplicado a isotermas de adsorção de nitrogênio gasoso a 77K) foram obtidas: 136 m2/g para alumina-? \"1D\"; 73,4 m2/g para alumina-? \"2D fina e alongada\"; 40,3 m2/g para alumina-? \"3D\". Foi possível, portanto, obter aluminas de transição potencialmente interessantes para aplicações industriais dadas as elevadas áreas específicas observadas. / Aluminum oxides and hydroxides have been the subject of studies in Laboratório de Matérias-Primas Particuladas Prof. Pérsio de Souza Santos (LPSS) in the last six decades. Several synthesis routes for mono- and tri-hydroxides were investigated as well as the thermal processing of these materials into transition aluminas and alpha-alumina. More recently, the synthesis of boehmite from the hydrothermal treatment of gibbsite has been the main object of studies in LPSS. In this Thesis, the hydrothermal synthesis of boehmite from a commercial Bayer gibbsite was studied. The crystals produced were characterized by X-ray diffraction (XRD), thermal analysis (TGA and DTA) and scanning electron microscopy (SEM). Different boehmite crystal morphologies were obtained - crystals \"3D\" (cubes and parallelepipeds), \"2D\" (thick plates, thin and elongated plates) and \"1D\" (elongated plates and strips) by varying the composition the initial reaction medium. Reactions conducted in media with characteristic pH of gibbsite suspension in water (alkaline pH) resulted in crystals with morphologies \"3D\" or \"thick 2D\" while reactions carried out in acidic medium (pH = 2.0) resulted in crystals with morphology \"2D\". Reactions carried out in acidic media containing acetate ion led to crystals with a \"thin and elongated 2D\" morphology or \"1D\" morphology, depending on the pristine [Al: acetate]. molar ratio (\"1D\" morphology requires a pristine molar ratio of at least 1mol Al: 1mol acetate). Crystals with \"1D\" or \"2D thin\" morphologies presented nanometric thickness. The thermal evolution of boehmite crystals produced was studied after heating between 200oC and 1200oC. All boehmites following thermal \"?-series\" transformation, regardless of their morphology, that is: boehmite -> ?-alumina -> ?-alumina /?-alumina -> ?-alumina. The transformation temperature of boehmite into ?-alumina is affected by crystal morphology, occurring at lower temperatures in the materials with nanometer thick crystals (\"1D\" and \"2D thin\" morphologies). ?-alumina with different morphologies and different specific surface areas (determined by BET method applied to adsorption isotherms of gaseous nitrogen at 77K) were obtained: 136 m2/g for ?-alumina \"1D\"; 73.4 m2/g for ?-alumina \"thin and elongated 2D\"; 40.3 m2/g for ?-alumina \"3D\". It was therefore possible to obtain transition aluminas potentially interesting for industrial applications given the high specific surface areas observed.