Neste trabalho foi desenvolvido um eletrólito à base de resina hidrocarbônica sulfonada e membrana de celulose para uso em célula a combustível (FC) para produção de energia. O eletrólito foi obtido pela sulfonação da resina indeno-estireno com sulfato de acetila, variando-se o grau de sulfonação (GS) de 20 a 60%, sendo os grupos sulfônicos da resina responsáveis pelo transporte de prótons do ânodo para o cátodo. A membrana de celulose foi preparada a partir da decantação de fibras de celulose suspensas em coluna d’água utilizando-se vácuo, sendo estas tratadas com etanol. A resina sulfonada foi avaliada quanto ao GS, solubilidade em água e condutividade em solução. A resina tal qual e sulfonada e a membrana de celulose foram caracterizadas quanto ao comportamento térmico por DSC e TGA. O eletrólito impregnado na membrana de celulose foi avaliado em protótipo de FC untária tipo PEM. Quanto maior o GS da resina maior a sua solubilidade em água e condutividade iônica. A inserção de grupos sulfônicos na resina aumenta a temperatura de transição vítrea do polímero ou o ponto de amolecimento da resina sulfonada. O eletrólito que apresentou melhor desempenho no protótipo de FC foi o GS44C30-MCT, preparado com resina com GS de 44%, solução aquosa de concentração de 30% e membrana de celulose tratada com etanol (MCT), cujas curvas de polarização i-V e i-P foram semelhantes às obtidas com a membrana Nafion® 117, sob mesmas condições a 80 ºC. A potência máxima e potencial de circuito aberto obtidos com o eletrólito GS44C30_MCT foram de 15,3 mW/cm² e 0,927V, respectivamente. A proposta de um eletrólito em solução suportado em uma membrana apresentou potencial de uso para uma célula tipo PEM. / In this work it was developed an electrolyte based on sulfonated resin and cellulose membrane for use in fuel cells (FC) to produce energy. The electrolyte was obtained from indene-styrene resin sulfonated with acetyl sulfate, ranging the sulfonation degree (GS) between 20 to 60%, being the sulfonic groups responsible by protons transport from anode to cathode. The cellulose membrane was prepared from decantation with vacuum of cellulose fibbers in water column, and was treated with ethanol. The sulfonated resin was evaluated as the GS, water solubility and conductivity on solution. The pristine resin, the sulfonated one and the cellulose membrane were characterized as to thermal behavior by DSC and TGA. The electrolyte impregnated in cellulose membrane was evaluated in a PEMFC prototype. The insertion of sulfonated groups on the resin increases polymer glass transition temperature or sulfonated resin softening point. The electrolyte that presented the highest performance on the FC prototype was GS44C30_MCT prepared with 44% of GS and 30% of concentration and cellulose membrane with treatment (MCT). This (i-V and i-P) polarization curves were similar to the ones obtained with Nafion® 117 membrane, in the same conditions. The maximum power and open circuit voltage with this electrolyte were 15,3 mW/cm² and 0,927 V, respectively. The proposal of an electrolyte in solution showed potential to use in a PEMFC.

Células de combustível são dispositivos onde ocorre a oxidação eletroquímica de um combustível, apresentando maior eficiência, segurança e escalabilidade do que a maioria dos motores de combustão interna. A geração de hidrogênio a partir do alumínio possui a vantagem de utilizar-se metal que pode ser completamente recuperado, reciclado e reprocessado. Além disso, refugos feitos à base de alumínio tais como: latas de bebidas; peças de dispositivos eletrônicos; brinquedos; dentre outros, podem ser utilizados para geração de hidrogênio, o que incentivaria a reciclagem de materiais. A reação ocorre com a água na presença de álcalis fortes, tais como NaOH e KOH, que atuam como catalisadores, não sendo assim consumidos no processo. O objetivo principal deste trabalho é a construção de uma célula de combustível de baixa temperatura, denominada na literatura de PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Célula de Combustível com Membrana de Troca de Prótons) acoplada à geração local de hidrogênio por meio da corrosão alcalina do alumínio. Foram realizados experimentos variando-se os seguintes itens: concentração dos álcalis (de 1 a 3 mol.L-1), temperatura (295 a 345 K) e forma do metal (folhas de alumínio com 0,02 mm de espessura, lâminas com 0,5 mm e com 1 mm de espessura). Nesta primeira etapa, verificou-se que a concentração e temperatura influenciam fortemente a reação. Os tempos de reação variaram desde valores próximos de 2 minutos (reação de folhas de alumínio em presença de NaOH a 3 mol.L-1 na temperatura de 325 K) até tempos da ordem de 700 minutos (em experimentos utilizando lâminas de 1 mm a 315 K em presença de KOH 1 mol.L-1). A análise de difração de raios-x juntamente com a microscopia eletrônica de varredura (MEV) confirmou a presença de hidróxido de alumínio na forma de um precipitado de gibsita sobre uma amostra metálica após reação com NaOH, possibilitando a visualização da estrutura cristalina deste precipitado. Após construção e operação do reator alumínio-água acoplado à célula de combustível, obteve-se valores de diferença de potencial máximos da ordem de 150 mV e densidade de corrente máxima próxima a 5.10-3 mA.cm-2. Estes valores encontram-se muito abaixo dos valores esperados para uma célula de combustível de hidrogênio comum (ao redor de 700 mV e 200-400 mA.cm-2, respectivamente). Um modelo transiente simplificado do sistema, baseado em balanços de massa, energia e carga elétrica, foi utilizado para a compreensão do funcionamento do dispositivo. Assim, verificou-se que uma das possíveis causas da operação estar abaixo da eficiência esperada foi devido à baixa relação estequiométrica entre oxigênio alimentado por difusão do ar e vazão de hidrogênio obtido a partir da reação entre alumínio e água. / Fuel Cells are devices where electrochemical oxidation of a fuel occurs, showing more efficiency, safety and scalability than most of the internal combustion engines. The production of hydrogen from aluminum has the advantage to utilize a metal that might be completely recovered, recycled and re-processed. Moreover, wastes made with aluminum such drink cans, pieces of electronic devices, toys, among others, are possible to be utilized to generate hydrogen, which would encourage the material recycling. The reaction occurs with the water in the presence of strong alkali like NaOH and KOH, which act as catalysts, so not being consumed in the process. The main objective of this work is the construction of a low temperature fuel cell, named in the literature as PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) coupled to local hydrogen generation by means of the aluminum alkaline corrosion. Experiments were conducted by varying the following items: alkali concentration (1-3 mol.L-1), temperature (295-345 K) and metal shape (0.02 mm thick aluminum foils, 0.5 mm and 1 mm thick aluminum plates). In this first step, it has been verified that the concentration and temperature strongly influence the reaction. The reaction times varied from values close to 2 minutes (aluminum foils in the presence of NaOH 3 mol.L-1 at 325 K) up to times about 700 minutes (experiments utilizing 1 mm thick plates at 315 K in the presence of KOH 1 mol.L-1). Analysis of Scanning Electron Microscopy (SEM) together with X-ray Difraction (XRD) has confirmed the presence of aluminum oxide as gibbsite precipitate on the metallic sample after reaction with NaOH, which enabled the visualization of its crystalline structure. After construction and operation of the aluminum-water reactor coupled with the fuel cell, maximum values of electrical potential about 150 mV and current density about 5.10-3 mA.cm-2 were obtained. These values are very low in comparison with the values expected for common hydrogen fuel cells (about 700 mV and 200–400 mA.cm-2, respectively). A simplified transient model was developed, based on mass, energy and electric charge balances, in order to understand the operation of the device. It has been verified that one of the possible issues of low efficiency of the operation is due to low stoichiometric ratio between oxygen fed by air diffusion and hydrogen mass flow obtained from aluminum–water reaction.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-08-12Bitstream added on 2014-06-13T19:12:28Z : No. of bitstreams: 1 gentil_r_me_araiq.pdf: 2192477 bytes, checksum: 6d17fc2600cc2ac67ecbe0a8f2b7cf59 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nanopartículas de PtV e PtCr, de composição nominal atômica 50:50, foram preparadas utilizando o método do poliol modificado, com adição de trietilborohidreto de lítio como segundo agente redutor, e suportadas em pó de carbono. Os materiais obtidos foram caracterizados por difratometria de raios X, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de absorção de raios X dispersivos. Para o catalisador de PtV/C, os resultados mostraram que o método de síntese produziu nanopartículas com um grau de liga inferior ao nominal, tamanho de partícula pequeno (3,7 nm) e uma estreita distribuição de tamanho de partícula. Mesmo com um grau de liga em torno de 5%, o catalisador de PtV/C apresentou uma atividade para a reação de redução de oxigênio (RRO) superior ao catalisador comercial de Pt/C, sendo mais ativo tanto na ausência quanto na presença de metanol. Tratamentos térmicos em atmosfera de hidrogênio puro foram realizados em temperaturas de 150°, 200° e 300° C permitiram aumentar ligeiramente o grau de liga do catalisador de PtV/C, mas, em contrapartida, promoveram outras variações nas características físicas e eletrocatalíticas. Para elucidar as mudanças estruturais foi realizado um estudo acompanhando os tratamentos térmicos por difratometria de raios X. Os resultados deste estudo, combinados com as informações obtidas do diagrama de fases do sistema PtV, permitiram interpretar as variações nas propriedades físicas e catalíticas observadas para os materiais tratados. Para o catalisador de PtCr/C, os resultados obtidos mostraram que a rota de síntese produziu nanopartículas com um tamanho médio de cristalito similar ao do catalisador de PtV/C, mas o catalisador de PtCr/C apresentou uma incorporação de Cr a fase liga superior à incorporação de vanádio para o catalisador de PtV/C. A atividade frente... / PtV and PtCr nanoparticles of atomic nominal composition 50:50 were prepared by a modified polyol method with addition of lithium triethyl borohydride as second reducing agent, and supported on carbon powder. The materials thus prepared were characterized by X-ray diffraction, transmission electronic microscopy and dispersive X-ray absortion spectroscopy. For the PtV/C catalyst, results showed that the synthesis method adopted produced nanoparticles with an alloying degree inferior to the nominal composition, small average particle size (3.7 nm) and narrow size distribution. Despite the low V incorporation into the alloy phase (about 5%), the PtV/C catalyst exhibited a catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR) higher than a commercial Pt/C sample, even in the presence of methanol. Heat treatments in pure hydrogen atmosphere carried out at 150°, 200° e 300° C, produced a slight increase in the degree of alloying and, at the same time, promoted other variations in physical and electrocatalytic properties. To elucidate the structural changes, a study of thermal treatments was made while collecting at the same time X-ray diffraction data. The results of this study, combined with the information extracted from the phase diagram of the PtV system, allow interpreting the observed changes in physical and catalytic properties for the thermally treated materials. For the PtCr/C catalyst, the results obtained showed that the synthesis method produced nanoparticles with average crystallite size similar to that observed for PtV/C, but with larger incorporation of Cr into the Pt lattice in comparison with the amount of V incorporated into the alloy in the PtV/C sample. The ORR activity of PtCr/C is slightly inferior to that of PtV/C while it showed a smaller loss of performance in the presence of methanol. A study of the effects of... (Complete abstract click electronic access below)

Made available in DSpace on 2014-11-10T11:09:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-06-05Bitstream added on 2014-11-10T11:57:26Z : No. of bitstreams: 1 000783685_20160605.pdf: 417557 bytes, checksum: a7b0b5d0342ef5b2b95ede9798577d33 (MD5) Bitstreams deleted on 2016-06-06T12:04:13Z: 000783685_20160605.pdf,. Added 1 bitstream(s) on 2016-06-06T12:05:00Z : No. of bitstreams: 1 000783685.pdf: 2427704 bytes, checksum: a17d8f00bffa113ed4ce546928b1d574 (MD5) / Este trabalho visou contribuir ao desenvolvimento de materiais com bom desempenho para a catálise da reação de redução de oxigênio, que ocorre nos cátodos de células a combustível, através do estudo da influência da composição e da nanoestrutura de nanopartículas de PtNi suportadas em carbono na atividade eletrocatalítica. Os estudos envolveram a preparação de catalisadores contendo nanopartículas de PtNi com diferentes composições pelo método do poliol modificado. Partes destes materiais foram submetidas a tratamento térmico em hidrogênio a 300ºC com o intuito de promover um aumento da incorporação de Ni na rede da Pt sem provocar severas modificações no tamanho e distribuição das nanopartículas sobre o suporte. As propriedades físicas dos materiais foram estudadas pelas técnicas de difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados mostraram que os catalisadores de PtNi têm um elevado grau de liga e boa homogeneidade de distribuição das partículas sobre o carbono suporte. As propriedades eletrônicas foram avaliadas por espectroscopia de absorção de raios X in situ. A atividade eletrocatalítica para a redução do oxigênio foi estudada utilizando-se a técnica de eletrodo de disco-anel rotatório. Em meio ácido, a presença de Ni nos catalisadores promove um aumento da vacância da banda 5d da Pt, ao tempo que o tratamento térmico provoca uma diminuição da vacância em relação aos materiais como preparados. Foi verificada uma maior atividade catalítica dos materiais de PtNi em relação à Pt. Em meio alcalino, os catalisadores que contêm Ni mostraram a banda 5d mais preenchida, provavelmente resultado da formação de óxidos de Ni. De modo geral, os catalisadores PtNi são menos ativos que a Pt em meio alcalino. A tolerância à presença de metanol foi avaliada através de comparação entre as curvas de polarização obtidas em soluções ácida e alcalina com as... / This study aimed to contribute to the development of materials with good performance for the catalysis of the oxygen reduction reaction, which occurs at the cathodes of fuel cells, by studying the influence of composition and nanostructure of carbon-supported PtNi nanoparticles on the electrocatalytic activity. The studies involved the preparation of catalysts containing PtNi nanoparticles of different compositions by the modified polyol method. Parts of these materials were submitted to a heat treatment in hydrogen at 300 °C aiming to promote an increase of the incorporation of Ni into the Pt lattice without causing severe changes on the size and distribution of particles on the support. The physical properties of the materials were evaluated by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The results showed that PtNi catalysts have a high degree of alloying and that particle distribution on the carbon support has good homogeneity. The electronic properties were evaluated in situ by X-ray absorption spectroscopy. The electrocatalytic activity for the oxygen reduction reaction was studied by the rotating ring disk technique. In acid medium, the presence of Ni in the catalysts causes an increase in the Pt 5d band, while the heat treatment resulted in a Pt 5d band vacancy decrease. A catalytic activity for PtNi materials higher than that of Pt was verified. In alkaline medium, the catalysts containing Ni showed a Pt 5d band more filled, probably resulting from the formation of Ni oxides. In general, Pt Ni catalysts are less active than Pt in alkaline medium. The tolerance to the presence of methanol was evaluated by comparing the polarization curves obtained in acid and alkaline solutions containing alcohol. A decrease of catalytic activity in the presence of methanol in acid medium and good tolerance in alkaline medium were observed.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-11-24T19:30:32Z No. of bitstreams: 1 2017_BrendaRobertadaSilveiraAraújo.pdf: 3043386 bytes, checksum: 1ccf7a5f301cdee0f651ab1e1637e6b6 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-04-25T21:40:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_BrendaRobertadaSilveiraAraújo.pdf: 3043386 bytes, checksum: 1ccf7a5f301cdee0f651ab1e1637e6b6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-25T21:40:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_BrendaRobertadaSilveiraAraújo.pdf: 3043386 bytes, checksum: 1ccf7a5f301cdee0f651ab1e1637e6b6 (MD5) Previous issue date: 2018-04-25 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). / O uso do glicerol como combustível é muito promissor, já que este álcool não é tóxico e possui alto ponto de ebulição (290 ºC) e uma densidade energética elevada (5 kWh kg-1). Vários estudos vêm sendo realizados aplicando-o como combustível em células a combustível alcalinas, onde pode ser oxidado na presença de catalisadores para gerar energia e produtos de oxidação com maior aplicabilidade e valor agregado. Neste trabalho foram preparados os eletrocatalisadores Pt49Ru51/C, Pt77Sn23/C, Pt75Bi25/C, Pt78Co22/C e Pt75Ni25/C e, todos com 20% de carga metálica aproximada. Os resultados deste trabalho demonstraram que PtRu e PtBi foram os eletrocatalisadores com maior potencial para a oxidação do glicerol. A presença do segundo metal promove atividades eletrocatalíticas do efeito bifuncional e eletrônico melhorando a oxidação do glicerol sem alterar o mecanismo de eletroxidação. Entretanto, favorece a formação de sais de ácidos orgânicos de três carbonos, especialmente o tartronato e glicerato de potássio, que são bastante utilizados pela indústria farmacêutica, com seletividades próximas a 80% no caso do catalisador PtRu para o primeiro sal orgânico. / The use of glycerol as fuel is very promising, since this alcohol is not toxic and possesses a high boiling point (290 ºC) and a high energy density (5 kWh kg-1). Several works have applied glycerol as fuel in alkaline fuel cells, where it can be oxidized for generating electricity and more valuable oxidation products. In this work, the electrocatalysts Pt49Ru51/C, Pt77Sn23/C, Pt75Bi25/C, Pt78Co22/C e Pt75Ni25/C were prepared, all of them with an approximate metallic loading of 20%. The results demonstrated that PtRu and PtBi were the catalysts with the highest potential for the glycerol electroxidation. The presence of the second metal promotes electrocatalytic activities of the bifunctional and electronic effect, improving glycerol oxidation without altering the electrooxidation mechanism. However, it favors the formation of three-carbon organic acid salts, especially potassium tartronate and glycerate, which are widely applied by the pharmaceutical industry, with a selectivity close to 80% in the case of the PtRu electrocatalysts for the first organic salt.

Este trabalho foi desenvolvido com a finalidade de reunir o conhecimento necessário para a aplicação da tração elétrica no transporte urbano e, desta maneira, auxiliar na diminuição dos impactos nocivos causados pelo homem ao meio ambiente. É sabido que 80% das emissões jogadas na atmosfera provém do escapamento de veículos equipados com motores de combustão interna. Estas emissões são responsáveis diretas pelo chamado efeito estufa que notoriamente tem causado alterações climáticas indesejadas em nosso planeta. Segundo especialistas, estas alterações no clima já estão ocasionando quebras na produção agrícola, doenças respiratórias e outros problemas sociais. Visando minimizar estes danos ao ambiente, várias empresas já concluíram que faz-se necessário desenvolver uma tecnologia para tornar nossos veículos menos poluentes. Uma das tecnologias pesquisadas e que mais tem prosperado ultimamente é a da célula de combustível. Independentemente da tecnologia a ser adotada, já é consenso entre os pesquisadores e engenheiros que a tração elétrica será o sistema adotado nos futuros veículos. Seja movido à célula de combustível, baterias ou outro meio, o motor elétrico será o componente principal do veículo do futuro. É imperativo que a tecnologia da tração elétrica seja dominada de maneira a permitir que países em desenvolvimento também possam projetar veículos limpos e assim participar do esforço mundial por um futuro livre do efeito estufa Vários países já exploram as vantagens do veículo elétrico. Pode-se encontrar disponíveis comercialmente opções variadas que vão desde motonetas até caminhões e ônibus elétricos. Ainda assim o veículo elétrico não apresenta um preço compatível com a renda da maioria dos habitantes de países em desenvolvimento. Como alternativa a este problema pode-se adotar o processo em que um veículo convencional equipado com motor de combustão interna é convertido para operar através da tração elétrica. Este processo requer um conhecimento específico já que exige habilidade para especificar a potência nominal do motor (e conseqüentemente a faixa de torque em que este operará) e a capacidade do banco de baterias para que se possa atingir a autonomia desejada para o veículo. Para tal fim, o trabalho descreve e valida, através de experimentação, o método proposto pela Bosch para a determinação dos coeficientes de arrasto aerodinâmico e de rolamento. De posse destes coeficientes é possível especificar o motor e baterias a serem utilizados na conversão. Este trabalho demonstra ainda que o veículo elétrico proporciona mais economia em relação ao veículo convencional ao mesmo tempo que ajuda a reduzir drasticamente a emissão de gases geradores do efeito estufa.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2016. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-03-22T19:29:37Z No. of bitstreams: 1 2016_JoãoBrunoCostaSantos.pdf: 2574292 bytes, checksum: 453f265afd05c1e3042bb01eb61e969c (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-03-28T19:47:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_JoãoBrunoCostaSantos.pdf: 2574292 bytes, checksum: 453f265afd05c1e3042bb01eb61e969c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-28T19:47:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_JoãoBrunoCostaSantos.pdf: 2574292 bytes, checksum: 453f265afd05c1e3042bb01eb61e969c (MD5) / O glicerol é um subproduto obtido na produção de biodiesel e demanda vias de aproveitamento que consigam dar utilidade às grandes quantidades produzidas e não mais absorvidas pelas indústrias que convencionalmente o utilizavam como matéria-prima. Uma possível alternativa são as células a combustível, as quais, além de trata-lo, conseguem produzir de forma simultânea energia elétrica. Neste sentido, são de interesse a célula a combustível microbiológica, dada a natureza biodegradável do glicerol, no qual foi o foco deste trabalho de mestrado. Os estudos com as células a combustível microbiológicas alimentadas com glicerol começaram já com os primeiros resultados obtidos pela aluna de iniciação científica Amanda Queiroz Guimarães, sendo possível estabelecer a concentração ótima de substrato. Com base neste dado, o presente trabalho continuou estudando a influência de outras variáveis de operação, como o tempo de retenção hidráulico e o volume de lodos purgados, levando em consideração que são dois parâmetros de importância no controle dos sistemas microbiológicos. O primeiro estudo focou na otimização do tempo de retenção hidráulico, abrangendo um leque de valores que vão desde longos tempos, suficiente para os microrganismos biodegradarem o glicerol (24 dias), até tempos mais curtos (4,8 dias) onde se promove mais a atividade biológica. Os resultados obtidos evidenciaram a presença de um ótimo para um tempo de 7,5 dias onde se combinam o melhor desempenho eletroquímico em termos de densidade de corrente e máximo de potência da célula, junto com uma alta remoção de matéria orgânica e nutrientes da célula. A seguir, estudou-se a influência do volume purgado de lodos do ânodo da célula. Analisou-se volumes que foram desde 10 até 25 mL. Os resultados obtidos demonstraram a necessidade de controlar este parâmetro, já que valores acima de 20 mL apresentaram prejudiciais para a performance eletroquímica, apesar do sistema ainda possuir uma excelente capacidade de degradação de matéria orgânica e, de fato, um grande desenvolvimento de microrganismos (neste caso, não geradores de eletricidade). Recomenda-se, portanto, o uso de um volume de purga de lodos pequeno, ao redor de 10 mL, onde a população de microrganismos é suficiente, e favoreceu o desenvolvimento das colônias eletrogênicas, com uma aparente lenta cinética de crescimento, junto com excelentes capacidades de remoção de matéria orgânica e nutrientes. Uma vez otimizados os dois parâmetros anteriores, avaliou-se a utilização de diferentes eletrodos no ânodo visando melhorar ainda mais o desempenho eletroquímico. Optou-se pelo uso de materiais mais porosos, tais como espuma de grafite, espuma de carbono reticulado vítreo e tecido de carbono. Em função dos resultados, a utilização de materiais mais porosos foi benéfica em termos de densidade de corrente e potência da célula, já que estas estruturas, ao possuir uma maior área superficial comparado ao bastão de grafite padrão usado nos estudos anteriores, permitiram uma maior colonização do eletrodo por parte dos microrganismos. Especialmente benéfico resulta o uso da espuma de carbono reticulado vítreo, com a melhor performance eletroquímica e de degradação biológica. Com o melhor eletrodo e as melhores condições operativas, realizou-se um seguimento do processo de degradação do glicerol com o apoio da técnica de cromatografia líquida de alta eficiência. A detecção e quantificação de produtos demonstraram a simultaneidade das rotas de degradação oxidativa e fermentativa existente no ânodo da célula sendo gerados produtos pela primeira via tais como o ácido fórmico, maioritário, o ácido acético e o ácido pirúvico. Já os ácidos propiônico e butírico são evidências da existência da rota fermentativa. Estes resultados são a base e ponto de partida desta linha de pesquisa e servirão como referência para futuros trabalhos com este tipo de células. _______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Glycerol is a by-product obtained in the biodiesel synthesis, demanding of utilization routes that turn valuable the large amounts produced and no more absorbed by the conventional industries that formerly used it as raw matter. One possible way is the fuel cells, which, aside for treating it, allow producing electricity simultaneously. In this way, Microbial Fuel Cells are of interest given the biodegradable nature of glycerol, and indeed, this type of fuel cells is the scope of this master project. The studies with glycerol-fed microbial fuel cells already began with the first results obtained by the scientific initiation student Amanda Queiroz Guimarães, fixing the most adequate substrate concentration. Based on them, the present work continues on studying the influence of other operating variable, such as the hydraulic retention time and the sludge purged volume, taking into account that are two key parameters in the control of biological systems. The first study focused on the optimization of the hydraulic retention time, from large retention times that guaranteed the complete glycerol biodegradation by the microorganisms (24 days) to shorter times (4,8 hours) where the biological activity is promoted (4,8 days). The results evidence the presence of an optimum for 7,5 days, where the best electrochemical performance, in terms of current density and maximum power, and a large organic matter and nutrients degradation are achieved. The next studied variable was the sludge purged volume from the cell anode. Volumes from 10 to 25 mL were analyzed. The obtained results demonstrated the necessity of controlling this parameter, since values above 20 mL showed very detrimental effects on the electrochemical performance, despite the system still presents a large capacity for degrading organic matter and for microorganisms growth (in this case, non-exoelectrogeneous bacteria). It is suggested then the use of a small sludge purged volume, around 10 mL, where the microorganism population is sufficient, it is favored the growth of exoelectrogeneous colonies, with an apparent slow growth kinetics, along with excellent capacities for nutrients and organic matter removal. Once optimized the two previous parameters, it was assessed the use of different electrodes in the anode, looking at further improving the electrochemical performance. More porous materials were evaluated, such as graphite foam, reticulated vitreous carbon foam and carbon cloth. According to the results, the utilization of porous materials is beneficial in terms of current density and power output, since these structures, with a larger surface area compared to the graphite rod used in the previous studies, allows a larger electrode colonization of the microorganisms. The use of the reticulated vitreous foam is especially successful, with the best electrochemical performance and biological degradation. With the best electrode and operating conditions, it was monitored of the glycerol degradation process with the aid of the high performance liquid chromatography. The detection and quantification of the products demonstrated the simultaneity of the oxidation and fermentative degradation routes existing in the cell anode, appearing formic acid, the main product, and acetic and pyruvic acid as evidences of the first route, and propionic and butyric as evidences of the second route. These results are the basis and kick-off point for this research line and will be used as reference for future studies with this type of fuel cells.

Orientador: Hebe de Las Mercedes Villullas / Banca: Ernesto Chaves Pereira de Souza / Banca: Paulo Olivi / Resumo: Nanopartículas de PtV e PtCr, de composição nominal atômica 50:50, foram preparadas utilizando o método do poliol modificado, com adição de trietilborohidreto de lítio como segundo agente redutor, e suportadas em pó de carbono. Os materiais obtidos foram caracterizados por difratometria de raios X, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de absorção de raios X dispersivos. Para o catalisador de PtV/C, os resultados mostraram que o método de síntese produziu nanopartículas com um grau de liga inferior ao nominal, tamanho de partícula pequeno (3,7 nm) e uma estreita distribuição de tamanho de partícula. Mesmo com um grau de liga em torno de 5%, o catalisador de PtV/C apresentou uma atividade para a reação de redução de oxigênio (RRO) superior ao catalisador comercial de Pt/C, sendo mais ativo tanto na ausência quanto na presença de metanol. Tratamentos térmicos em atmosfera de hidrogênio puro foram realizados em temperaturas de 150°, 200° e 300° C permitiram aumentar ligeiramente o grau de liga do catalisador de PtV/C, mas, em contrapartida, promoveram outras variações nas características físicas e eletrocatalíticas. Para elucidar as mudanças estruturais foi realizado um estudo acompanhando os tratamentos térmicos por difratometria de raios X. Os resultados deste estudo, combinados com as informações obtidas do diagrama de fases do sistema PtV, permitiram interpretar as variações nas propriedades físicas e catalíticas observadas para os materiais tratados. Para o catalisador de PtCr/C, os resultados obtidos mostraram que a rota de síntese produziu nanopartículas com um tamanho médio de cristalito similar ao do catalisador de PtV/C, mas o catalisador de PtCr/C apresentou uma incorporação de Cr a fase liga superior à incorporação de vanádio para o catalisador de PtV/C. A atividade frente... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: PtV and PtCr nanoparticles of atomic nominal composition 50:50 were prepared by a modified polyol method with addition of lithium triethyl borohydride as second reducing agent, and supported on carbon powder. The materials thus prepared were characterized by X-ray diffraction, transmission electronic microscopy and dispersive X-ray absortion spectroscopy. For the PtV/C catalyst, results showed that the synthesis method adopted produced nanoparticles with an alloying degree inferior to the nominal composition, small average particle size (3.7 nm) and narrow size distribution. Despite the low V incorporation into the alloy phase (about 5%), the PtV/C catalyst exhibited a catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR) higher than a commercial Pt/C sample, even in the presence of methanol. Heat treatments in pure hydrogen atmosphere carried out at 150°, 200° e 300° C, produced a slight increase in the degree of alloying and, at the same time, promoted other variations in physical and electrocatalytic properties. To elucidate the structural changes, a study of thermal treatments was made while collecting at the same time X-ray diffraction data. The results of this study, combined with the information extracted from the phase diagram of the PtV system, allow interpreting the observed changes in physical and catalytic properties for the thermally treated materials. For the PtCr/C catalyst, the results obtained showed that the synthesis method produced nanoparticles with average crystallite size similar to that observed for PtV/C, but with larger incorporation of Cr into the Pt lattice in comparison with the amount of V incorporated into the alloy in the PtV/C sample. The ORR activity of PtCr/C is slightly inferior to that of PtV/C while it showed a smaller loss of performance in the presence of methanol. A study of the effects of... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:54:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000392891-Texto+Completo-0.pdf: 18868347 bytes, checksum: e47d02c5e43959554e7a96fc2af41841 (MD5) Previous issue date: 2007 / In polymer electrode fuel cells the main component is the membrane/electrodes assembly (MEA). The diffusion layer is the principal component of the MEA being a composite material, constituted of carbon powder to which polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to increase hydrofobicity, fundamental characteristic related to water transport in the system. Over difusion layer is deposited a catalitic layer formed by platinum supported on carbon powder to which a Nafion solution is additioned. These layers present inhomogeneous roughness, porous and surfaces of the complex characterization. The object of this work is to adapt characterization methods for these layers with the aim of the determinate their wettability, morphology and porosity, as well as to otimaze the MEA fabrication parameters. The produced MEAs were tested using a fuel cell prototype fabricated at PUCRS. For the determination of the surface wettability the contact angles were measured by drop water method using an optical microscope and a video camera. The advancing (θa) e receding (θr) angles were measured and used to estimate the hysteresis (Δθ = θa - θr) and the equilibrium angle. For morphologic and composition characterization of the layers and subtracts, scanning electronic microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) were used. The porosity was measured by imbibing n-heptane into all pores (hydrophilic and hydrophobic) and water into hydrophilic pores of the substrates and composites. Three MEAs were fabricated by optimized process. The optimized parameters were: constituents composition (carbon powder and PTFE), subtract type (carbon paper or carbon cloth), cleaning and thermal procedures. These MEAs were tested in a fuel cell generated powers were compared between fabricated assemblies and with commercial MEAs. Morphology study proved that PTFE incorporation into carbon power is a critical step on diffusion layers fabrication. A good compromise between a adequate recover and a low roughness was obtained using intermediate PTFE content (20 %). It was also observed that temperatures > 330 oC are not indicated to thermal treatments and deposition by spraying did not give a full uniform layers. For the porosity determinations it was obtained reproducible results in agreement with literature data for not impregnated substrates. For impregnated substrates the results present a bigger variation in especial for composites deposited over carbon paper. In general, the increasing of PTFE level decreases the total porosity and increases the percent of hydrophobic porous for both substrates. Some discrepancies for carbon paper were observed, probably due to the higher incertitude of the analyses performed with this subtract. The results obtained in angles contact determination present good precision, especially for the composite deposited over carbon cloth. The values obtained for contact angels of the catalyst layers were lower than ones measured over diffusion layer, probably due to the presence of Nafion, which presents a hydrophilic character minimizing the composite hydrophobicity. These results confirmed the complexity of these layers and the hydrophobic nature of PTFE and hydrophilic of carbon powder. Finally, the test of efficiency showed the best performance for MEA fabricated using carbon paper, while for carbon cloth membrane/electrodes assemblies the better performance was verify for higher catalyst loading system. / Em células a combustível de eletrólito polimérico sólido, o principal componente é o conjunto membrana/eletrodos (MEA). A camada difusora é um dos constituintes do MEA, sendo um material compósito constituído de pó de carbono ao qual é adicionado politetrafluoretileno (PTFE) para aumentar sua hidrofobicidade, característica fundamental para controlar o transporte de água no sistema. Sobre a camada difusora é depositada a camada catalítica formada por platina suportada em carbono, à qual é adicionada uma solução de Nafion®. Essas camadas apresentam superfícies uniforme, rugosas e porosas, dificultando suas caracterizações. O objetivo deste trabalho foi implementar metodologias de caracterização dessas camadas, visando à determinação da molhabilidade, morfologia e porosidade, bem como a otimização de parâmetros de fabricação do conjunto membrana/eletrodo (MEA). Os MEAs produzidos foram testados em protótipo de células a combustível construídos na PUCRS. Para a determinação da molhabilidade das superfícies foram medidos os ângulos de contato pelo método da gota, utilizando um sistema composto por microscópio ótico acoplado a uma câmara de vídeo. Foram medidos os ângulos de avanço (θa) e recuo (θr) e através dessas medidas foram estimados a histerese (Δθ = θa – θr) e o ângulo de equilíbrio (θe). Na caracterização da morfologia das camadas e substratos foram utilizadas Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia por Dispersão de Energia (EDS).Para determinar a porosidade das camadas difusoras e catalíticas, foram realizados testes baseados no método da impregnação e medida dos volumes de água para preenchimento dos poros hidrofílicos, e heptano para poros hidrofílicos e hidrofóbicos. Foram construídos três MEAs através de processos otimizados envolvendo quantidade dos constituintes (pó de carbono e PTFE), tipo de substrato (papel e tecido de carbono), limpeza dos materiais e tratamento térmico. O desempenho dos MEAs foram testados quanto à potência gerada os resultados obtidos comparados com MEA comerciais. Através do estudo da morfologia evidenciou-se que a incorporação do PTFE ao pó de carbono é uma etapa crítica na produção das camadas difusoras. Um bom compromisso entre um recobrimento adequado e uma menor rugosidade é obtido com teores intermediários de PTFE (20 %). Constatou-se também que temperaturas maiores que 330 oC não são indicadas para os tratamentos térmicos e que a deposição por pulverização não forma camadas totalmente uniformes. Na determinação da porosidade observaram-se resultados compatíveis com os encontrados na literatura para os substratos não impregnados. Para os substratos impregnados com compósitos, os resultados apresentaram uma maior variabilidade, em especial para os compósitos depositados sobre papel de carbono. Em geral, o aumento do teor de PTFE diminui a porosidade total e aumenta o percentual de poros hidrofóbicos para ambos substratos com pequenas discrepâncias para o papel de carbono devido, provavelmente a maior incerteza por dificuldades apresentadas nas medidas das análises efetuadas sobre esse substrato. Na determinação da hidrofobicidade os resultados apresentaram boa precisão, em especial para os compósitos depositados sobre tecido de carbono. Os valores obtidos dos ângulos de contato da camada catalítica foram menores do que os resultantes da deposição da camada difusora devido, possivelmente à presença de Nafion, que por possuir um caráter hidrofílico, minimiza as propriedades hidrofóbicas do compósito. Esses resultados confirmaram a complexidade dessas camadas bem como o caráter hidrofóbico do PTFE e hidrofílico do pó de carbono. Os testes de eficiência mostraram que o MEA de melhor desempenho foi o construído sobre substrato de papel de carbono. Fazendo uma comparação entre os conjuntos produzidos em tecido de carbono, o que apresentou melhor desempenho continha maior concentração de catalisador.

Células de combustível são dispositivos onde ocorre a oxidação eletroquímica de um combustível, apresentando maior eficiência, segurança e escalabilidade do que a maioria dos motores de combustão interna. A geração de hidrogênio a partir do alumínio possui a vantagem de utilizar-se metal que pode ser completamente recuperado, reciclado e reprocessado. Além disso, refugos feitos à base de alumínio tais como: latas de bebidas; peças de dispositivos eletrônicos; brinquedos; dentre outros, podem ser utilizados para geração de hidrogênio, o que incentivaria a reciclagem de materiais. A reação ocorre com a água na presença de álcalis fortes, tais como NaOH e KOH, que atuam como catalisadores, não sendo assim consumidos no processo. O objetivo principal deste trabalho é a construção de uma célula de combustível de baixa temperatura, denominada na literatura de PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Célula de Combustível com Membrana de Troca de Prótons) acoplada à geração local de hidrogênio por meio da corrosão alcalina do alumínio. Foram realizados experimentos variando-se os seguintes itens: concentração dos álcalis (de 1 a 3 mol.L-1), temperatura (295 a 345 K) e forma do metal (folhas de alumínio com 0,02 mm de espessura, lâminas com 0,5 mm e com 1 mm de espessura). Nesta primeira etapa, verificou-se que a concentração e temperatura influenciam fortemente a reação. Os tempos de reação variaram desde valores próximos de 2 minutos (reação de folhas de alumínio em presença de NaOH a 3 mol.L-1 na temperatura de 325 K) até tempos da ordem de 700 minutos (em experimentos utilizando lâminas de 1 mm a 315 K em presença de KOH 1 mol.L-1). A análise de difração de raios-x juntamente com a microscopia eletrônica de varredura (MEV) confirmou a presença de hidróxido de alumínio na forma de um precipitado de gibsita sobre uma amostra metálica após reação com NaOH, possibilitando a visualização da estrutura cristalina deste precipitado. Após construção e operação do reator alumínio-água acoplado à célula de combustível, obteve-se valores de diferença de potencial máximos da ordem de 150 mV e densidade de corrente máxima próxima a 5.10-3 mA.cm-2. Estes valores encontram-se muito abaixo dos valores esperados para uma célula de combustível de hidrogênio comum (ao redor de 700 mV e 200-400 mA.cm-2, respectivamente). Um modelo transiente simplificado do sistema, baseado em balanços de massa, energia e carga elétrica, foi utilizado para a compreensão do funcionamento do dispositivo. Assim, verificou-se que uma das possíveis causas da operação estar abaixo da eficiência esperada foi devido à baixa relação estequiométrica entre oxigênio alimentado por difusão do ar e vazão de hidrogênio obtido a partir da reação entre alumínio e água. / Fuel Cells are devices where electrochemical oxidation of a fuel occurs, showing more efficiency, safety and scalability than most of the internal combustion engines. The production of hydrogen from aluminum has the advantage to utilize a metal that might be completely recovered, recycled and re-processed. Moreover, wastes made with aluminum such drink cans, pieces of electronic devices, toys, among others, are possible to be utilized to generate hydrogen, which would encourage the material recycling. The reaction occurs with the water in the presence of strong alkali like NaOH and KOH, which act as catalysts, so not being consumed in the process. The main objective of this work is the construction of a low temperature fuel cell, named in the literature as PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) coupled to local hydrogen generation by means of the aluminum alkaline corrosion. Experiments were conducted by varying the following items: alkali concentration (1-3 mol.L-1), temperature (295-345 K) and metal shape (0.02 mm thick aluminum foils, 0.5 mm and 1 mm thick aluminum plates). In this first step, it has been verified that the concentration and temperature strongly influence the reaction. The reaction times varied from values close to 2 minutes (aluminum foils in the presence of NaOH 3 mol.L-1 at 325 K) up to times about 700 minutes (experiments utilizing 1 mm thick plates at 315 K in the presence of KOH 1 mol.L-1). Analysis of Scanning Electron Microscopy (SEM) together with X-ray Difraction (XRD) has confirmed the presence of aluminum oxide as gibbsite precipitate on the metallic sample after reaction with NaOH, which enabled the visualization of its crystalline structure. After construction and operation of the aluminum-water reactor coupled with the fuel cell, maximum values of electrical potential about 150 mV and current density about 5.10-3 mA.cm-2 were obtained. These values are very low in comparison with the values expected for common hydrogen fuel cells (about 700 mV and 200–400 mA.cm-2, respectively). A simplified transient model was developed, based on mass, energy and electric charge balances, in order to understand the operation of the device. It has been verified that one of the possible issues of low efficiency of the operation is due to low stoichiometric ratio between oxygen fed by air diffusion and hydrogen mass flow obtained from aluminum–water reaction.