Neste trabalho descreve-se o estudo das reações de oxidação eletroquímica de metanol e etanol em catalisadores contendo platina (Pt) e Nióbio (Nb) suportados em carbono de alta área superficial. Os materiais estudados foram PtNb/C, Pt-Nb2O5(amorfo)/C e Pt-Nb2O5(cristalino) /C, utilizando-se como padrão para comparação o catalisador comercial Pt/C E-TEK 20 %. A caracterização física foi realizada com o auxílio das técnicas de Difração de Raios X (DRX), Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X (EDX) e Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS). A partir dos picos de difração foi possível calcular o tamanho médio de cristalito e o parâmetro de rede das amostras estudadas. Os espectros de XAS na região de XANES sugerem que a Pt suportada sobre os óxidos de nióbio tem uma menor tendência a sofrer perda de densidade eletrônica na banda 5d. O comportamento eletroquímico dos catalisadores frente às reações de eletro-oxidação dos alcoóis foi avaliado através de voltametrias de varredura linear, voltametrias cíclicas e cronoamperometrias com o eletrodo de trabalho preparado com uma configuração de camada ultrafina. Os dois catalisadores contendo Pt suportada sobre os óxidos de nióbio apresentaram os melhores desempenhos na oxidação eletroquímica dos alcoóis, no entanto os três materiais estudados deslocaram o pico de oxidação de CO (ads) para menores valores de potencial em relação à Pt/C E-TEK 20 %. Experimentos de Espectroscopia de absorção na região do Infravermelho in situ com Transformada de Fourier (FTIR) foram realizados com o intuito de se identificar os adsorbatos formados durante a eletro-oxidação de etanol. A presença dos óxidos de nióbio não favorece significativamente à conversão de etanol a CO2, sendo os principais produtos da oxidação o acetaldeído e o ácido acético. Por fim foram realizados testes na célula a combustível unitária seguindo-se a mesma abordagem que nos estudos de camada ultrafina. / In this work, the methanol and ethanol electrochemical oxidation reactions are studied on platinum (Pt) and niobium (Nb) catalysts supported on high surface area carbon. The selected materials were PtNb/C, Pt-Nb2O5(amorphous) /C e Pt-Nb2O5(crystalline) /C, using as reference for comparison purposes the commercial catalyst 20% Pt-C E-TEK. The catalysts were physically characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray Absorption Spectroscopy (XAS). The average crystal size and lattice parameters of the studied materials were assessed from the diffraction peaks. XAS spectra in the XANES region indicated that the supported platinum on the niobium oxide possesses a lower tendency to lose electronic density from the 5d band. The electrochemical performance of the different catalysts was evaluated by linear sweep voltammetry, cyclic voltammetry and chronoamperometry, using an ultra-thin layer electrode. The two catalysts containing platinum supported on the niobium oxide showed the best performances for the electrochemical oxidation of the alcohols, though the three studied materials displaced the CO (ads) oxidation peak for lower potential values compared to 20% E-TEK Pt/C. In situ Fourier Transform Infrared Absorption Spectroscopy (FTIR) experiments were carried out in order to identify the formed adsorbates during the ethanol electroxidation. The presence of the niobium oxides does not significantly favour the conversion of ethanol to CO2, being the main products of the oxidation acetaldehyde and acetic acid. Finally, fuel cell tests were carried out following the same procedure as in the case of the ultra-thin layer.

Este trabalho compreende estudos das reações de oxidação de hidrogênio na presença de CO em células unitárias do tipo Membrana Trocadora de Prótons e da reação de oxidação de álcoois em meio alcalino em superfícies monocristalinas. Estes dois temas têm como base a utilização de etanol como vetor energético renovável para o uso em dispositivos eletroquímicos conversores de energia, como as células a combustível. O estudo do efeito de temperatura sobre a tolerância ao CO durante a reação de oxidação de hidrogênio foi abordado sob a perspectiva dos diferentes processos de tolerância que ocorrem em materiais de Pt/C, PtRu/C e PtMo/C. Assim, foram utilizadas as técnicas de Microscopia Eletrônica por Transmissão, Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios X, Espectroscopia Fotoeletrônica por Raios X, Difração de Raios X e Espectroscopia de Absorção de Raios X in situ para a caracterização da composição química, estrutura cristalina e de ocupação eletrônica, ressaltando-se o desenvolvimento de uma célula espectro-eletroquímica com o propósito de obter a informação de XAS em um ambiente real de operação da célula, que permite avaliar o efeito da temperatura e do ambiente químico. Estes resultados foram analisados em conjunto com os perfis de polarização anódica, observando-se que o efeito da temperatura opera de maneira distinta sobre os diferentes processos de tolerância ao CO. Uma análise baseada no mecanismo de reação permitiu estimar os recobrimentos experimentais das espécies de H, CO e OH, essencial para compreender os processos que ocorrem nos ânodos de uma PEMFC alimentada com H2/CO. Por outro lado, os estudos da reação de oxidação de etanol em meio alcalino possibilitaram obter informações fundamentais para o entendimento do mecanismo da reação para este e outros álcoois. Este trabalho compreendeu a avaliação do efeito do cátion alcalino sobre a cinética de reação de oxidação de vários álcoois, em destaque no papel da acidez do álcool em conjunto com a presença de Li no efeito eletrocatalítico. Além de observar o papel da acidez dos álcoois e do solvente para a possível promoção do efeito catalítico decorrente de interações não-covalentes, este estudo possibilitou uma ampla análise baseada nas propriedades moleculares dos diferentes álcoois, calculadas por Teoria do Funcional da Densidade. Desta forma foi possível estabelecer uma correlação entre as propriedades dos orbitais de fronteira com a porção da molécula do álcool que irá reagir primeiro, além da diferença de energia entre o Highest Occupied Molecular Orbital - Lowest Unoccupied Molecular Orbital servir de descritor da reatividade sobre uma dada superfície. Foi identificado o papel da oxofilicidade do metal, verificando-se a existência de uma relação próxima entre a adsorção de OH e a de álcool. Por fim, resultados de caracterização do produto da reação por Espectroscopia no Infravermelho, em conjunto com as informações obtidas dos demais estudos, possibilitou propor um mecanismo da reação de oxidação aplicável a diversos álcoois. / This work comprises studies of the hydrogen oxidation reaction in the presence of CO in a Proton Exchange Membrane single-cells and the alcohol oxidation reaction in alkaline media on single crystal surfaces. These two themes are based on the use of ethanol as a renewable energy vector in electrochemical energy conversion devices, like fuel cells. The study of the effect of temperature over the CO tolerance during the hydrogen oxidation reaction was tackled with the perspective of the distinct tolerance processes that take place in Pt/C, PtRu/C and PtMo/C materials. Therefore, techniques such as Transmission Electron Microscopy, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, X-ray Diffraction and in situ X-ray Absorption Spectroscopy were employed to characterize the catalysts chemical composition, crystalline structure and electronic occupancy, highlighting the development of a spectro-electrochemical cell with the purpose of obtaining the XAS information under a real operando fuel cell environment, thus allowing evaluations of the effects of temperature and distinct chemical environments. These results were analyzed along with anode polarization profiles, so to emphasize the distinct way that the temperature affects each CO tolerance process. A reaction mechanism analysis allowed estimating the H, CO and OH surface coverages, which are paramount to best understand the processes that take place in PEMFC anodes fed with H2/CO. On the other hand, the ethanol oxidation studies in alkaline media allowed obtaining fundamental information to understand the ethanol oxidation reaction mechanism. These studies comprised the evaluation of the alkali cation effect over the alcohol oxidation reaction kinetics, bringing to light the role of alcohol acidity together with Li to enhance the catalytic effect. Besides observing the acidity role of both alcohol and solvent towards the catalytic promotion resulting from non-covalent interactions, this study allowed a broader analysis based on the molecular properties of distinct alcohols, as calculated by Density Functional Theory. In this way, it was possible to establish a correlation between frontier orbital properties with the portion of the alcohol molecule reacting first, along with the identification of the Highest Occupied Molecular Orbital - Lowest Unoccupied Molecular Orbital energy difference serving as a reactivity descriptor over a given surface. The role of the metal surface oxophilicity was identified, and this evidenced a close relation between OH and alcohol adsorption properties. At last, results obtained from Infrared Spectroscopy so to identify the oxidation products were combined with the information gained from the other studies allowed to elaborate a mechanism for the alcohol oxidation reaction applicable to several distinct alcohols.

A cinética da reação de redução de oxigênio (RRO) foi estudada em eletrólito alcalino em diferentes eletrocatalisadores. As atividades eletrocatalíticas medidas experimentalmente em metais puros foram correlacionadas com propriedades eletrônicas do eletrocatalisador, como o centro em energia da banda d (εd). A RRO também foi investigada em Pt e Ag modificados pela formação de liga com outros metais de transição. Por fim, a RRO foi conduzida em diferentes óxidos de manganês sintetizados em laboratório, com o objetivo de se determinar a fase mais ativa e o mecanismo da reação nos diferentes óxidos. A atividade eletrocatalítica frente à RRO dos metais puros ou das monocamadas de platina suportadas em diferentes substratos metálicos monocristalinos apresentou uma dependência tipo “vulcão” em função da energia do centro da banda d do metal eletrocatalisador. Estes resultados indicam que tanto a quebra da ligação O-O como a hidrogenação dos intermediários reacionais têm que ser facilitados, de forma que a cinética das duas reações, as quais são aceleradas por propriedades antagônicas, seja otimizada. O ganho de atividade para a RRO observado para as ligas de Pt em relação à Pt pura foi associado à menor reatividade da Pt na ligas, o que leva à uma menor força da adsorção Pt-O- e, consequentemente, maior cinética de eletroredução dos intermediários oxigenados. A maior atividade das ligas de Ag comparada com a Ag pura foi atribuída à uma mais forte adsorção Ag-O-, o que resulta em maior cinética da quebra da ligação O-O. Os resultados para os diferentes óxidos de Mn mostraram que a ativação para a RRO é maior para os materiais com alto conteúdo de MnO2. A atividade eletrocatalítica dos óxidos de manganês foi associada com um mecanismo acoplado envolvendo uma mudança do estado de oxidação de Mn (IV) para Mn (III), com a transferência de elétrons do Mn (III) para o O2 adsorvido [], em processo via 2 elétrons, com subsequente reação de desproporcionamente do intermediário HO2-, recirculando O2 no sistema, tendendo à um mecanísmo global via 4 elétrons por molécula de O2. / The oxygen reduction reaction (ORR) was studied on electrodes formed by Pt monolayers deposited on different metallic substrates, and on carbon-supported electrocatalysts composed by PtM/C (M = V, Cr e Co) and AgPt/C alloys, and on different Mn oxides (Mn3O4/C, Mn2O3/C and MnO2/C) in alkaline electrolyte. The experimentally measured electrocatalytic activities of the different metal catalysts and of the Pt monolayers were plotted against the metal d-band center values (_d). In all cases, the electronic features of the metal electrocatalysts were used for understanding the catalytic activities, and trying to establish the electronic/ORR kinetics relationship. The XANES results for the PtM/C alloys at high electrode potentials have shown lower vacancy of the Pt 5d band compared to pure Pt/C, indicating lower Pt reactivity for adsorbates. The enhanced catalytic activity of Pt in the alloys was attributed to a faster electroreduction of oxygenated intermediates. For the AgPt/C alloys, the XANES results have shown a emptying of the Ag orbitals due to a charge transfer to Pt, and the increased activity of the Ag atoms was ascribed to an electronic effect induced by the presence of Pt, increasing the Ag-O adsorption strength For the manganese oxide materials, the XANES results indicated a chance of the Mn oxidation state as a function of the electrode potential, and higher electrocatalytic activity was observed for MnO2/C. This was explained based on the activation for the ORR, which is higher for the material with higher MnO2 contents and the occurrence of a mediation processes involving the reduction of Mn(IV) to Mn(III), followed by the electron transfer of Mn(III) to oxygen.

Eletrocatalisadores de Pt-Sn suportados em carbono de elevada área superficial foram preparados por redução química de precursores metálicosm em solução usando como agente redutor o ácido fórmico. Esse método mostrou-se muito eficiente sendo possível obter tanto catalisadores com baixos teores de Sn (razão atômica Pt:Sn de 9:1) como com altos teores de Sn (razão atômica Pt:Sn de 1:3). Entretanto, apesar de ser o Sn reduzido e ancorado sobre o substrato de carbono apenas parte deste Sn é inserido na rede cristalina da Pt sendo necessário um tratamento térmico em atmosfera redutora para aumentar o grau de liga. Foram realizados tratamentos térmicos entre 100 e 500 ºC e o melhor desempenho na célula a combustível foi obtido com o material Pt3Sn tratado a 200 ºC. O tratamento térmico a 200ºC permitiu um incremento no grau de liga dos metais Pt e Sn sem modificar a estrutura cúbica de face centrada da Pt e sem promover a coalescência das nanopartículas ancoradas no suporte de carbono. Os materiais de Pt-Sn foram caracterizados através de difração de raios-X, absorção de raios-X e microscopia eletrônica de transmissão. A atividade para a eletro-oxidação de etanol foi avaliada através de técnicas eletroquímicas e experimentos em células a combustível unitárias. Para complementar o estudo da eletro-oxidação de etanol foram realizados estudos fundamentais usando monocristais de Pt com baixos e altos índices de Miller. / Carbon supported Pt-Sn catalysts were prepared by reduction of Pt and Sn precursors with formic acid. The method allowed the efficient preparation of catalysts with low Sn contents (Pt:Sn ratio 9:1) and with high Sn contents (Pt:Sn ratio 1:3. In spite of the fact that Sn was anchored in the material, only part of the Sn is inserted in the fcc structure of Pt. Therefore, a thermal treatment in a reducing atmosphere was necessary to increase the degree of alloy. Thermal treatments were done between 100 and 500 oC and the Pt3Sn material treated at 200 oC showed the best performance in a direct ethanol fuel cell. The thermal treatment at 200 oC allowed an increase of the degree of alloy without modifying the face centered cubic Pt structure and without promoting the coalescence of the nanoparticles anchored on the carbon support. The Pt-Sn catalysts were characterized by X-ray diffraction, X-ray absorption and transmission electron microscopy. The activity for the electro-oxidation of ethanol was evaluated with electrochemical techniques and experiments in a single direct ethanol fuel cell. Studies with Pt single crystals with low and high Miller indices were done to complement the study of the ethanol electro-oxidation.

Orientador: Ennio Peres da Silva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-07-24T11:10:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Amaral_EduardoGurgeldo_D.pdf: 19526807 bytes, checksum: 3080d11913fdf2000190f035acbb0cde (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: O agravamento dos problemas ambientais em todo mundo tem exigido medidas corretivas urgentes. Nos grandes centros urbanos o setor de transportes contribui com uma parcela expressiva da poluição atmosférica devido a queima de derivados de petróleo como combustível em veículos. Entre as medidas possíveis de serem adotadas em resposta à esta premente necessidade, a viabilização de veículos com propulsão elétrica é uma das mais cogitadas, por ser considerada, diferentemente das outras, como uma solução de propulsão automotiva com característica de emissão zero de poluentes. Em contraste com o grande avanço tecnológico que boa parte dos componentes de potência destes veículos tiveram, o sistema de armazenamento de eletricidade, ainda baseado fortemente nas baterias eletroquímicas, em especial nas de chumbo-ácido, não apresentaram um avanço significativo. Um meio muito promissor e com características interessantes para o fornecimento de energia elétrica e que pode também ser usado em veículos elétricos é a célula de combustível. Esta forma agrega as vantagens da conversão de um combustível diretamente em eletricidade sem gerar poluição. Porém, além de necessitar de um grande avanço tecnológico, ela possui atualmente uma grande limitação em relação ao seu elevado custo. Uma forma de alcançar patamares de custo menores é atingir determinadas escalas de produção. Para isso é preciso encontrar aplicações viáveis tanto a nível técnico como de custo. A célula de combustível como fonte de energia para veículos elétricos deverá ter um grande mercado uma vez resolvidos estes problemas. Uma forma de introduzi-Ias e até viabilizá-Ias é através de sistemas híbridos onde células com uma pequena potência e consequentemente menor custo, daria suporte energético para proporcionar autonomia para o veículo, enquanto outro sistema, como um banco de baterias eletroquímicas, forneceria a energia de pico para os momentos que exigir maior potência. Este trabalho faz um rápido levantamento dos avanços tecnológicos dos veículos elétricos, descreve o sistema de funcionamento das células de combustível, destaca os principais tipos e, entre estes aponta o mais apropriado atualmente. para aplicações automotivas. Dentro deste panorama, propõe um arranjo do sistema energético híbrido para um veículo hipotético, que possa suprir as necessidades técnicas para que os veículos elétricos possam vir a ser mais competitivos e atraentes para o usuário dentro das limitações inerentes ao atual estado de evolução das tecnologias envolvidas / Abstract: Zero emission vehicles are indicated as an ideal solution to minimize the environment problems at the large urban cities. At the present only the electric vehicles hold at this category. To viability this kind of vehicle must be defined the energy supply. The most used energy often are the batteries, but the advanced technology of this kind of system limits this utilization of competitive way with the conventionally cars. Fuel Cells are indicate as promissor way for this finality, but it¿s required a technology advanced and actuality, the cost is very expensive. The advantage of this system is that it converts a fuel directly of electricity. This work gives the propose the study of viabilization of a fuel cells / batteries ¿ hybrid system to demand of energy in electric vehicles like a way to turn it more attractive to adapted this vehicles / Doutorado / Doutor em Engenharia Elétrica

Os eletrocatalisadores Pt/C e Pt-Terras Raras/C (terras raras = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Lu) foram preparados (20% em massa e razão atômica Pt-TR de 50:50) pelo método de redução por álcool, usando H2PtCl6.6H2O (Aldrich) e Terras Raras Cl3.xH2O (Aldrich) como fonte de metais, etileno glicol como solvente e agente redutor e, o carbono Vulcan XC72, como suporte. Os catalisadores foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), análises de difração de raios X (DRX) e microscopia de transmissão eletrônica (TEM). As análises por EDX mostraram que as razões atômicas dos diferentes eletrocatalisadores Pt-TR/C preparados foram similares às composições nominais de partida. Em todos os difratogramas, observa-se um pico largo em aproximadamente 2 = 25o o qual foi associado ao suporte de carbono Vulcan XC72 e quatro outros picos de difração em aproximadamente 2 = 40o, 47o, 67o e 82o os quais são associados aos planos (111), (200), (220) e (311), respectivamente, da estrutura cúbica de face centrada (CFC) de platina e suas ligas. Para os eletrocatalisadores Pt-TR/C também foram observadas fases nos difratogramas de raios X referentes aos óxidos de terras raras. Foram preparados eletrocatalisadores Pt-La/C com diferentes razões atômicas. Micrografias de transmissão eletrônica apresentaram uma razoável distribuição das partículas de Pt no suporte de carbono com algumas aglomerações, o que está de acordo com os resultados de difração de raios X. O desempenho para a oxidação de CO, metanol e etanol foi investigada através de voltametria cíclica, cronoamperometria e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier. A atividade eletrocatalítica dos eletrocatalisadores Pt-TR/C, em especial PtLa/C, foram maiores que do Pt/C. A investigação por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier para a oxidação de etanol com os eletrocatalisadores PtLa/C mostrou que o acetoaldeído e o ácido acético foram os principais produtos formados. O eletrocatalisador PtLa/C (30:70) apresentou melhores resultados para a reação de redução de oxigênio, oxidação de metanol e etanol, e a temperaturas superiores a 30°C para oxidação de monóxido de carbono. / PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF PT-RARE EARTH/C ELECTROCATALYSTS FOR PEM FUEL CELLS

Os eletrocatalisadores Pt/C e Pt-Terras Raras/C (terras raras = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Lu) foram preparados (20% em massa e razão atômica Pt-TR de 50:50) pelo método de redução por álcool, usando H2PtCl6.6H2O (Aldrich) e Terras Raras Cl3.xH2O (Aldrich) como fonte de metais, etileno glicol como solvente e agente redutor e, o carbono Vulcan XC72, como suporte. Os catalisadores foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), análises de difração de raios X (DRX) e microscopia de transmissão eletrônica (TEM). As análises por EDX mostraram que as razões atômicas dos diferentes eletrocatalisadores Pt-TR/C preparados foram similares às composições nominais de partida. Em todos os difratogramas, observa-se um pico largo em aproximadamente 2 = 25o o qual foi associado ao suporte de carbono Vulcan XC72 e quatro outros picos de difração em aproximadamente 2 = 40o, 47o, 67o e 82o os quais são associados aos planos (111), (200), (220) e (311), respectivamente, da estrutura cúbica de face centrada (CFC) de platina e suas ligas. Para os eletrocatalisadores Pt-TR/C também foram observadas fases nos difratogramas de raios X referentes aos óxidos de terras raras. Foram preparados eletrocatalisadores Pt-La/C com diferentes razões atômicas. Micrografias de transmissão eletrônica apresentaram uma razoável distribuição das partículas de Pt no suporte de carbono com algumas aglomerações, o que está de acordo com os resultados de difração de raios X. O desempenho para a oxidação de CO, metanol e etanol foi investigada através de voltametria cíclica, cronoamperometria e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier. A atividade eletrocatalítica dos eletrocatalisadores Pt-TR/C, em especial PtLa/C, foram maiores que do Pt/C. A investigação por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier para a oxidação de etanol com os eletrocatalisadores PtLa/C mostrou que o acetoaldeído e o ácido acético foram os principais produtos formados. O eletrocatalisador PtLa/C (30:70) apresentou melhores resultados para a reação de redução de oxigênio, oxidação de metanol e etanol, e a temperaturas superiores a 30°C para oxidação de monóxido de carbono. / PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF PT-RARE EARTH/C ELECTROCATALYSTS FOR PEM FUEL CELLS

A economia do hidrogênio apresenta um novo horizonte para suprir a crescente demanda global por energia. As células a combustível são os dispositivos que possibilitam a utilização do hidrogênio (H2) como um interessante vetor energético uma vez que ele não emite CO2 ao reagir com o oxigênio (O2), gerando H2O e energia elétrica. A produção do hidrogênio pode ocorrer de forma descentralizada e modulada, possibilitando atender às necessidades de comunidades que o sistema estabelecido de distribuição de energia não consegue chegar. Uma célula a combustível, é composta essencialmente por 3 elementos: o anodo, o catodo e o eletrólito. Existem vários materiais disponíveis para aplicação como eletrólito em células a combustível, mas o que mais se destaca é a zircônia estabilizada com óxido de ítrio (ZEI). Devido às suas características químicas e elétricas, a zircônia estabilizada é bastante pesquisada como eletrólito de células a combustível do tipo óxido sólido (CaCOS) e conformada por colagem de fitas (tape casting). A colagem de fitas é um dos meios mais baratos, simples e eficientes para conformar suspensões cerâmicas em lâminas finas, contribuindo para seu uso em células a combustível. Considerando esses aspectos, o objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade de conformação de fitas cerâmicas de zircônia estabilizada produzidas a partir da extração do minério nacional zirconita. É consenso na literatura que suspensões cerâmicas devem ser obtidas a partir de pós com baixa área superficial (geralmente entre 0,5 a 10m2/g). No presente trabalho, as fitas foram coladas a partir de pós com elevada área superficial (geralmente entre 40 a 80m2/g). O uso do potencial zeta é recomendado para avaliar a quantidade de polieletrólito que deve ser empregada em uma determinada suspensão. No entanto, para suspensões com elevada concentração de sólidos, faz-se necessário o uso da curva de fluxo do material, devido a compressão da dupla camada elétrica. Para os estudos de reologia, o pó cerâmico calcinado foi submetido a uma classificação, em um conjunto de peneiras ABNT com diferentes aberturas de malha e descartando a fração mássica retida em malha 60. Suspensões destes pós cerâmicos foram usadas para a determinação das curvas de fluxo, fato que possibilitou a conformação dos laminados cerâmicos. Para a colagem de fitas, é necessário o uso de plastificantes e ligantes. Dentre os disponíveis, o álcool polivinílico (PVA) foi usando como ligante e o 1,2,3 propano-triol (glicerina) como plastificante. Atuando em sinergismo e em proporção adequada (2,25:1) de glicerina em relação ao PVA, foi possível obter fitas cerâmicas com as características desejadas para aplicação em células a combustível. STUDY / The hydrogen economy has been risen as new option for supply the growing global demand for energy. A fuel cell is an electrochemical device able to use hydrogen as a energy source. Carbon dioxide (CO2) emission is very low so it is ecologically friendly, once energy is produced by a reaction of hydrogen and oxygen. The production of energy from hydrogen fuelled devices can be done even in small unities and in a distributed way. It can bring energy for isolated communities, where traditional energy distribution systems can not be reached. A fuel cell is composed essentially of 3 components: anode, cathode and the electrolyte. In present days, there are many materials proposed for use as electrolyte in fuel cells. Among then, yttria stabilized zirconia (YSZ) is the most studied and effectively used in solid oxide fuel cell. Tape casting technology is a cheap, simple and efficient way to cast ceramics slurries in laminates thick enough to be used as components for fuel cells. Considering theses aspects, in this work, ceramic thin film forming was studied using tape casting technology with raw materials prepared from Brazilian zircon ores. It is described in literature that ceramic slurries are generally made from powders with low surface area (often between 0,5 to 10m2/g), and the powders used in this study had larger surface area (often between 40 to 80m2/g). The use of zeta potential is indicated to study the stability of a suspension of ceramic powders. However, for suspensions with large concentration of solid, it is also necessary to determine the flow curve, because in these conditions, the double electric layer formed during the stabilization of suspensions can be compressed. In the rheologic properties study, calcined ceramic powders were classified using a set of ABNT series screens and separated and retained by the de mesh 60 screen. Flow curve of suspension was determined in aqueous suspensions of these powders. For tape casting processing, a binder and a plasticizer have to be added to the suspensions to produce YSZ substrates. Poly(vinyalcohol) (PVA) and glycerine were used as binder and plasticizer, respectively, in this work. By the effect of both additives, at a glycerine to PVA rate of 2,25:1, it was possible to produce YSZ substrates.

As membranas de troca aniônica são uma alternativa promissora para o desenvolvimento de eletrólitos mais eficientes para células a combustível alcalinas. Em geral, as membranas de troca aniônica são ionômeros capazes de conduzir íons hidroxila devido aos grupos quaternário de amônio e têm como característica elevado pH equivalente. Com o objetivo de desenvolver membranas aniônicas química e termicamente estáveis, com satisfatória condutividade iônica para aplicação em células a combustível alcalinas, as membranas aniônicas foram sintetizadas a partir de polímeros base de polietileno de baixa densidade (LDPE), polietileno de ultra alto peso molecular (PEUHMW), poli(etileno-co-tetrafluoroetileno) (PETFE) e poli(tetrafluoroetilleno-co-hexafluoroetileno) (PFEP) previamente irradiados nas fontes de radiação gama de 60Co ou com feixe de elétrons, para enxertia do monômero de estireno e funcionalizados com trimetilamina para incorporação dos grupos quaternário de amônio. As membranas resultantes foram caracterizadas por espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR), espectroscopia Raman, termogravimetria (TG), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), além da determinação do grau de enxertia, capacidade de absorção de água por gravimetria e capacidade de troca iônica, por titulação. As membranas sintetizadas com os polímeros LDPE e UHMWPE pré-irradiados a 70 kGy com feixe de elétrons e armazenadas a baixa temperatura (-70 °C) por até 10 meses, mostraram resultados de condutividade iônica, quando na forma (OH-), de 29 mS.cm-1 e 14 mS.cm-1 a 65 °C, respectivamente. Os filmes de PFEP irradiados no processo simultâneo mostram níveis de enxertia insuficientes para a síntese de membranas aniônicas, necessitando maiores estudos para aperfeiçoar os processos de irradiação e enxertia. As membranas baseadas em PETFE, pré-irradiadas a 70 kGy com feixe de elétrons e armazenadas a baixa temperatura (-70 °C) por até 10 meses, mostraram maior condutividade iônica, quando na forma hidroxila (OH-), com valores de condutividade iônica entre 90 mS.cm-1 e 165 mS.cm-1 na faixa de temperatura entre 30 e 60 °C. Estes resultados mostraram que membranas de LDPE, UHMWPE e PETFE são eletrólitos promissores para a aplicação em células a combustível alcalinas. / Anion Exchange Membranes (AEMs) are a promising alternative to the development of more efficient electrolytes for alkaline fuel cells. In general, the AEMs are ionomeric membranes able to conduct hydroxide ions (OH-) due to the quatermary ammonium groups, which confer high pH equivalent to the AEM. In order to develop alkaline membranes with high chemical and thermal stability, besides satisfactory ionic conductivity for alkaline fuel cells, membranes based on low density polyethylene (LDPE), ultrahigh weight molecular weight polyethylene (UHWHPE), poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (PETFE) and poly(hexafluoropropylene-co-tetrafluoroethylene) (PFEP) previously irradiated by using 60Co gamma and electron beam sources, have been synthesized by styrene-grafting, and functionalized with trimethylamine to introduced quaternary ammonium groups. The resulting membranes were characterized by electron paramagnetic resonance (EPR), Raman spectroscopy, thermogravimetry (TG) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The determination of the grafting degree and water uptake were conducted by gravimetry and ion exchange capacity, by titration. The membranes synthesized with PELD and PEUHMW polymers pre-irradiated at 70 kGy and stored at low temperature (-70 °C), up to 10 months, showed ionic conductivity results, in hydroxide form (OH-), of 29 mS.cm-1 and 14 mS.cm-1 at 65 °C, respectively. The PFEP polymers irradiated by the simultaneous process showed insufficient grating levels for the membrane synthesis, requiring more studies to improve the irradiation and grafting process. The styrene-grafted PETFE membranes, pre-irradiated at 70 kGy and stored at low temperature (-70 °C), up to 10 months, showed ionic conductivity results, in hydroxide form (OH-), of 90 mS.cm-1 to 165 mS.cm-1, in the temperature range 30 to 60 °C. Such results have demonstrated that LDPE, UHMWPE and PETFE based AEMs are promising electrolytes for alkaline fuel cell application.

As membranas de troca aniônica são uma alternativa promissora para o desenvolvimento de eletrólitos mais eficientes para células a combustível alcalinas. Em geral, as membranas de troca aniônica são ionômeros capazes de conduzir íons hidroxila devido aos grupos quaternário de amônio e têm como característica elevado pH equivalente. Com o objetivo de desenvolver membranas aniônicas química e termicamente estáveis, com satisfatória condutividade iônica para aplicação em células a combustível alcalinas, as membranas aniônicas foram sintetizadas a partir de polímeros base de polietileno de baixa densidade (LDPE), polietileno de ultra alto peso molecular (PEUHMW), poli(etileno-co-tetrafluoroetileno) (PETFE) e poli(tetrafluoroetilleno-co-hexafluoroetileno) (PFEP) previamente irradiados nas fontes de radiação gama de 60Co ou com feixe de elétrons, para enxertia do monômero de estireno e funcionalizados com trimetilamina para incorporação dos grupos quaternário de amônio. As membranas resultantes foram caracterizadas por espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR), espectroscopia Raman, termogravimetria (TG), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), além da determinação do grau de enxertia, capacidade de absorção de água por gravimetria e capacidade de troca iônica, por titulação. As membranas sintetizadas com os polímeros LDPE e UHMWPE pré-irradiados a 70 kGy com feixe de elétrons e armazenadas a baixa temperatura (-70 °C) por até 10 meses, mostraram resultados de condutividade iônica, quando na forma (OH-), de 29 mS.cm-1 e 14 mS.cm-1 a 65 °C, respectivamente. Os filmes de PFEP irradiados no processo simultâneo mostram níveis de enxertia insuficientes para a síntese de membranas aniônicas, necessitando maiores estudos para aperfeiçoar os processos de irradiação e enxertia. As membranas baseadas em PETFE, pré-irradiadas a 70 kGy com feixe de elétrons e armazenadas a baixa temperatura (-70 °C) por até 10 meses, mostraram maior condutividade iônica, quando na forma hidroxila (OH-), com valores de condutividade iônica entre 90 mS.cm-1 e 165 mS.cm-1 na faixa de temperatura entre 30 e 60 °C. Estes resultados mostraram que membranas de LDPE, UHMWPE e PETFE são eletrólitos promissores para a aplicação em células a combustível alcalinas. / Anion Exchange Membranes (AEMs) are a promising alternative to the development of more efficient electrolytes for alkaline fuel cells. In general, the AEMs are ionomeric membranes able to conduct hydroxide ions (OH-) due to the quatermary ammonium groups, which confer high pH equivalent to the AEM. In order to develop alkaline membranes with high chemical and thermal stability, besides satisfactory ionic conductivity for alkaline fuel cells, membranes based on low density polyethylene (LDPE), ultrahigh weight molecular weight polyethylene (UHWHPE), poly(ethylene-co-tetrafluoroethylene) (PETFE) and poly(hexafluoropropylene-co-tetrafluoroethylene) (PFEP) previously irradiated by using 60Co gamma and electron beam sources, have been synthesized by styrene-grafting, and functionalized with trimethylamine to introduced quaternary ammonium groups. The resulting membranes were characterized by electron paramagnetic resonance (EPR), Raman spectroscopy, thermogravimetry (TG) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The determination of the grafting degree and water uptake were conducted by gravimetry and ion exchange capacity, by titration. The membranes synthesized with PELD and PEUHMW polymers pre-irradiated at 70 kGy and stored at low temperature (-70 °C), up to 10 months, showed ionic conductivity results, in hydroxide form (OH-), of 29 mS.cm-1 and 14 mS.cm-1 at 65 °C, respectively. The PFEP polymers irradiated by the simultaneous process showed insufficient grating levels for the membrane synthesis, requiring more studies to improve the irradiation and grafting process. The styrene-grafted PETFE membranes, pre-irradiated at 70 kGy and stored at low temperature (-70 °C), up to 10 months, showed ionic conductivity results, in hydroxide form (OH-), of 90 mS.cm-1 to 165 mS.cm-1, in the temperature range 30 to 60 °C. Such results have demonstrated that LDPE, UHMWPE and PETFE based AEMs are promising electrolytes for alkaline fuel cell application.