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 a combustível de membrana trocadora de prótons (PEMFC) são dispositivos promissores para a conversão de energia em aplicações portáteis e estacionárias. Seu desempenho é fortemente influenciado pelas características da sua camada de difusão de gás (GDL), tais como morfologia, condutividade elétrica, porosidade, estabilidade química e resistência mecânica. A GDL também deve mostrar um equilíbrio entre hidrofobicidade e hidrofilicidade para garantir que o sistema operacional da célula funcione sem obstrução das vias de fluxo de gases, mas ainda mantendo uma umidade adequada. Neste trabalho, um processo simples foi desenvolvido para produzir GDL para PEMFC, visando obter um material alternativo aos já existentes no mercado como o tecido e o papel de carbono reduzindo o custo do produto final. As GDLs foram produzidas com fibras de carbono curtas dispersas em resina poliuretana (PU), seguida de prensagem a quente. Após o processo de tratamento térmico, as GDL foram tratadas, em uma suspensão contendo nanopartículas de carbono dispersas na solução de PTFE, através do processo de dip-coating. Estudou-se a influência da razão PU: fibra de carbono, e o teor de nanopartículas de carbono Vulcan adicionado à resina PU. As GDL obtidas foram caracterizadas quanto à morfologia, condutividade elétrica, análise térmica, ângulo de contato e ensaio de tração. Os resultados mostraram que a melhor proporção de resina PU:fibra de carbono foi de 1:1, que apresentou uma menor resistividade (2,68 × 10-5 Ω.m). Nas GDLs pós-tratadas com PTFE contendo diferentes teores de nanopartículas de carbono VULCAN, o melhor resultado obtido foram das amostras do sistema de proporção PU:fibra de carbono com 0,20 g de nanopartículas de carbono Vulcan na solução de PTFE (PU1:1_0,20). Esse sistema apresentou bons resultados quanto à hidrofobicidade, apresentando ângulo de contato (105°-126°) e de resistividade (da ordem de 10-5 Ω.m). Além disso, as GDLs obtidas com adição de carbono Vulcan na resina PU (1:1) obtiveram ótimos resultados de ângulo de contato (129°-138°) e resistividade (da ordem de 10-3-10-5 Ω.m), porém com baixa resistência mecânica e em todos os sistemas estudados pode-se verificar uma boa dispersão da fibras na resina PU através da análise por MEV. Os resultados em geral indicam que o material obtido tem potencial aplicação em células do tipo PEMFC. / Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are promising devices for energy conversion for portable and stationary applications. Their performance is strongly influenced by the characteristics of their gas diffusion layer (GDL) such as morphology, electrical conductivity, porosity, chemical stability and mechanical strength. The GDL must also show a balance between hydrophobicity and hydrophilicity to ensure that the fuel cell system operates without obstruction of gas flow but maintaining adequate moisture content. In this work, a simple process was developed to produce GDL for PEMFC, seeking to obtain an alternative material whilst helping reducing the overall cost. The GDLs were produced by dispersing short carbon fibers in a polyurethane (PU) resin, followed by hot pressing/curing and dip-coating in a suspension of carbon nanoparticles in PTFE solution. After the curing process, the GDL’s were treated in a suspension containing carbon nanoparticles in a solution of PTFE, used for dip-coating process. The influence of PU/carbon fiber ratio and the content of Vulcan carbon powder added to the PU resin were studied. The influence of the content of Vulcan carbon powder added to the PTFE solution for the GDL’s post-treatment was also addressed. The GDL’s obtained were characterized regarding morphological (by SEM), electrical conductivity, thermal analysis, contact angle and tensile test. The following parameters were studied: the PU amount in the carbon fiber, and the content of Vulcan carbon powder in the PTFE solution and in the PU resin, focusing on the final homogeneity and electrical conductivity of the system. The results showed that the most suitable PU resin:carbon fiber ratio was 1:1, which showed the lowest resistivity (2.68 × 10-5 Ω.m). When this sample was post-treated with PTFE using different amounts of Vulcan carbon powder and immersion times, the best result was obtained for the sample with 0.20 g of carbon Vulcan nanoparticles in the solution of PTFE (PU1:1_0,20). This system showed good hydrophobicity results, contact angle (105°-126°), and resistivity in the order of 10-5 Ω.m. Besides, the GDL obtained by adding carbon Vulcan in the PU resin (1:1) showed excellent results for contact angle (129°-138°) and resistivity (~10-4 Ω.m), even though the mechanical strength was low and all the studied systems showed good fiber dispersion in PU resin as verified by SEM analysis. In general, the results indicate that the obtained material has potential use in PEMFC.

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.

Orientadores: Pablo Cesar Cadavid Perez, Ennio Peres da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-04T23:16:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CadavidPerez_PabloCesar_M.pdf: 7917924 bytes, checksum: b9f856e4bbec32b1fe5889e8b04b4cc2 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Devido às constantes crises no mundo causadas pela dependência do petróleo tem-se buscado diversificar as fontes primárias energéticas, tais como, energia solar, eólica, hidráulica e biomassa. Além disso, é cada vez maior a preocupação com a contaminação atmosférica que constitui um dos problemas decorrentes do intenso uso do petróleo. Entre as alternativas que apresentam um interesse crescente está a exploração do gás gerado em aterros sanitários que tem uma composição média em massa de 50% de metano, 40% de gás carbônico e 10% de outros gases. No país, os aterros são ricos em resíduos orgânicos, o que contribui para formação de grandes quantidades de metano; porém, atualmente os gases são queimados sem qualquer tipo de aproveitamento energético. Do ponto de vista ambiental, as emissões gasosas de aterros sanitários contribuem para o aquecimento global do planeta com alguns gases apresentando alto grau de toxicidade, mau cheiro, perigo de explosão, além de outros riscos. Assim, o objetivo desta pesquisa é apresentar o Projeto Conceitual e Análise Técnico-Econômica preliminar para o aproveitamento do gás gerado em aterros sanitários, utilizando pilhas a combustível na produção de energia elétrica e térmica, levando também à diminuição da poluição atmosférica. O projeto inclui uma concepção de um Sistema Integrado inovador na área de aproveitamento de biogás, que consiste na exploração conjunta da Unidade Receptora e de Tratamento de Resíduos (URTR), Complexo Delta, do Município de Campinas/SP e da Estação de Tratamento de Esgoto (ETE), Piçarrão, do mesmo Município. Nessa integração, além da geração de energia elétrica e térmica, é possível a exploração do gás carbônico para neutralização de esgoto alcalino, por meio de um Reator de Neutralização de Esgoto Alcalino (RNEA) e a utilização dos lodos gerados nos biodigestores da ETE como material de cobertura na UR TR. A determinação do potencial de gás aproveitável é obtida por meio de métodos de cálculo e dados, teóricos e experimentais, utilizando o valor total de resíduos domiciliares e comerciais, depositados na URTR e sua composição percentual. Utilizando a análise termodinâmica das reações de fermentação e combustão tem-se que o volume gerado de CH4 por ano é VCH4 = 149,1 l/kg. Pela análise das reações de biodegradação, tem-se que o volume total de gases é VTOTAL = 287,7 l/kg. Comparando VTOTAL com VCH4, pode ser confirmado que a composição de CH4 está entre 50 e 65%, valores médios encontrados na literatura. Pela análise da cinética das reações foi calculado um fator de eficiência de biodegradação entre 46,6 e 55,4%, sendo que estes valores também correspondem com valores teóricos. O potencial total de gás aproveitável calculado teórica e experimentalmente para 190.000 ton/ano de resíduos foi de 16,7 milhões m3/ano, assumindo 60% de extração de gases. O potencial energético total real do aterro utilizando PAFC's é de 2,32 MW. Concluiu-se que existe viabilidade técnica para implantação do sistema, o qual será economicamente atraente a médio-longo prazo em dependência do avanço da tecnologia de pilhas a combustível e das mudanças políticas e econômicas do setor energético do país / Abstract: Due to the constants crises in the world caused by the dependence of the petroleum many researches have been done in order to diversify the energy primary sources, such as, solar energy, wind energy, hydraulic energy and biomass energy. Besides, it is every time larger the concern with the atmospheric contamination. Among the alternatives that present a growing interest it is the exploration of the gas generated in landfill that has a medium composition of 50% of methane, 40% of carbon gas and 10% of other gases. In the country, the landfill is rich in organic residues, what contributes to formation of great amounts of methane; however, now the gases are burned without any type of energy use. Of the environmental point of view, the gaseous emissions of landfill contribute to the global heating of the planet with some gases presenting high toxicity degree, bad smell and explosion danger, besides other risks. Like this, the objective of this research is to present the Conceptual Project and preliminary Technician-economical Analysis for the use of the gas generated in landfill, using fuel cell in the electric and thermal energy production, also taking to the decrease of the atmospheric pollution. The project includes a conception of a SYSTEM INTEGRATED innovative in the area of biogas use that consists of the united exploration of the Landfill Complexo Delta (URTR), of the Municipal district of Campinas/SP/Brazil and of the Waste Water Treatment Station (ETE), Piçarrão, of the same Municipal district. In that integration, besides the electric power generation and thermal, it is possible the exploration of the carbon gas for neutralization of alkaline waste water, through a Neutralization Reactor (RNEA) and the use of the sludge generated in the biodigestors of ETE as covering material in URTR. In order to evaluate the energetic potential of this system, the amount of profitable gas was calculated, using different theoretical and experimental methodologies. Using the thermodynamic analysis of the fermentation reactions and combustion was calculated the generated volume of CH4 a year (VCH4 = 149.1 l/kg). For the analysis of the biodegradation reactions was calculated the total volume of gases (VTOTAL = 287.7 l/kg). Comparing VTOTAL with VCH4, it can be confirmed that the composition of CH4 is in the strip between 50 and 65%, medium values found in the literature. For the analysis of the kinetics of the reactions a factor of biodegradation efficiency is calculated between 46.6 and 55.4%, that you/they are also values found in the literature. The total theoretical and experimental potential of profitable gas for 190,000 ton/year of residues and assuming 60% of extraction of gas is 16.7 million m3/year. The total potential energy of the landfill using the PAFC is 2.32 MW. It was concluded that technical viability exists for implantation the fuel cell system, which will be economically attractive the medium-long period in dependence of the progress about fuel cell technology and political and economical changes of the energy section in the country / Mestrado / Mestre em Engenharia Química

Este trabalho teve por objetivo avaliar a aplicação de diversas tecnologias de células a combustível tipo PEMFC desenvolvidas no IPEN para obtenção de um módulo de potência de 500 We. Foram estudados o aumento de escala na produção de MEAs de 25 cm2 para 144 cm2 pelo método de impressão a tela; a simulação por fluidodinâmica computacional de canais de fluxo de gases em placas bipolares utilizando o programa COMSOL e; o estudo de desempenho de eletrodos Pt/C desenvolvidos pelo método de redução por álcool, em células individuais de 144 cm2. Assim, desenvolveu-se um módulo de 500 We de potência nominal, produzido com tecnologia nacional, e com apoio da indústria para possíveis aplicações comerciais. A indústria nacional contribuiu com o hardware do módulo e os sistemas de vedação e refrigeração. Foi realizado um teste de 100 horas em célula unitária de 144 cm2 para observação do comportamento do MEA fabricado pelo processo de impressão à tela, bem como das outras tecnologias descritas, e a célula mostrou-se estável neste intervalo de tempo. O módulo desenvolvido com tecnologia nacional apresentou a potência máxima de 574 We à corrente de 100 A (694,4 mA cm-2). A potência de operação de 500 We foi obtida à corrente de 77,7 A (540,1 mA cm-2) ao potencial de 6,43 V, com uma eficiência de 43,3%. Em termos de cogeração, a potência térmica ou calor gerado pelo módulo foi de 652 Wt. Deste modo, foram consolidados os experimentos em P&D realizados no IPEN em células a combustível, para produção de potência elétrica. Uma estimativa inicial de custo para o módulo de 500 We estudado foi de R$ 4.500,00, baseando-se apenas nos materiais empregados em sua construção. / This work is part of a research project on PEMFC technologies carried out in IPEN to develop and optimize a 500 We fuel cell stack. The MEAs scaling up from 25 cm2 to 144 cm2 produced by the method of sieve printing; computational fluid dynamics by computer simulation of gas flow channels in bipolar plates using COMSOL® program and the use of Pt/C electrodes developed by alcohol reduction method in single cells were used to build a stack of 500 We nominal power for possible commercial applications, produced with national technology and industrial support. A 100 hours fuel cell´s test was carried out in a 144 cm2 single cell to study the stability of the MEA fabricated by sieve printing method. This single cell showed good stability within this period of time. The developed stack has reached the maximum power of 574 We at 100 A (694.4 mA cm-2). The operating power of 500 We was obtained at 77.7 A (540.1 mA cm-2) and potential of 6.43 V, with efficiency of 43.3%. In terms of cogeneration, the thermal power or generated heat by the stack was 652 Wt. The initial estimated cost for the 500 We stack was about R$ 4,500.00, considering only the used materials for its construction.

Este trabalho teve por objetivo avaliar a aplicação de diversas tecnologias de células a combustível tipo PEMFC desenvolvidas no IPEN para obtenção de um módulo de potência de 500 We. Foram estudados o aumento de escala na produção de MEAs de 25 cm2 para 144 cm2 pelo método de impressão a tela; a simulação por fluidodinâmica computacional de canais de fluxo de gases em placas bipolares utilizando o programa COMSOL e; o estudo de desempenho de eletrodos Pt/C desenvolvidos pelo método de redução por álcool, em células individuais de 144 cm2. Assim, desenvolveu-se um módulo de 500 We de potência nominal, produzido com tecnologia nacional, e com apoio da indústria para possíveis aplicações comerciais. A indústria nacional contribuiu com o hardware do módulo e os sistemas de vedação e refrigeração. Foi realizado um teste de 100 horas em célula unitária de 144 cm2 para observação do comportamento do MEA fabricado pelo processo de impressão à tela, bem como das outras tecnologias descritas, e a célula mostrou-se estável neste intervalo de tempo. O módulo desenvolvido com tecnologia nacional apresentou a potência máxima de 574 We à corrente de 100 A (694,4 mA cm-2). A potência de operação de 500 We foi obtida à corrente de 77,7 A (540,1 mA cm-2) ao potencial de 6,43 V, com uma eficiência de 43,3%. Em termos de cogeração, a potência térmica ou calor gerado pelo módulo foi de 652 Wt. Deste modo, foram consolidados os experimentos em P&D realizados no IPEN em células a combustível, para produção de potência elétrica. Uma estimativa inicial de custo para o módulo de 500 We estudado foi de R$ 4.500,00, baseando-se apenas nos materiais empregados em sua construção. / This work is part of a research project on PEMFC technologies carried out in IPEN to develop and optimize a 500 We fuel cell stack. The MEAs scaling up from 25 cm2 to 144 cm2 produced by the method of sieve printing; computational fluid dynamics by computer simulation of gas flow channels in bipolar plates using COMSOL® program and the use of Pt/C electrodes developed by alcohol reduction method in single cells were used to build a stack of 500 We nominal power for possible commercial applications, produced with national technology and industrial support. A 100 hours fuel cell´s test was carried out in a 144 cm2 single cell to study the stability of the MEA fabricated by sieve printing method. This single cell showed good stability within this period of time. The developed stack has reached the maximum power of 574 We at 100 A (694.4 mA cm-2). The operating power of 500 We was obtained at 77.7 A (540.1 mA cm-2) and potential of 6.43 V, with efficiency of 43.3%. In terms of cogeneration, the thermal power or generated heat by the stack was 652 Wt. The initial estimated cost for the 500 We stack was about R$ 4,500.00, considering only the used materials for its construction.

Orientador: Elisete Aparecida Batista / Banca: Maria Del Pilar Taboada Sotomayor / Banca: Janaína Fernandes Gomes / Resumo: O desenvolvimento de eletrocatalisadores para as reações de oxidação de álcoois como metanol e etanol é de grande importância, pois esses álcoois podem ser utilizados como combustíveis no ânodo das células a combustível, dispositivos que transformam energia química em energia elétrica. Neste sentido, este trabalho relata a síntese de nanocatalisadores de PdAu suportados em carbono, a caracterização física dos materiais preparados e a avaliação da atividade catalítica para a oxidação de metanol e etanol. A caracterização física foi realizada utilizando-se as técnicas de Difratometria de Raios X, Microscopia Eletrônica de Transmissão, Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X e, Espectroscopia de Absorção de Raios X. Os materiais também foram caracterizados eletroquimicamente por voltametria cíclica. A atividade catalítica dos materiais preparados foi estudada através de técnicas eletroquímicas convencionais, como voltametria cíclica e cronoamperometria, e também da técnica espectro-eletroquímica de FTIR in situ, que permite a identificação de produtos e intermediários das reações. Com os difratogramas de Raios X foi possível comprovar a incorporação de ouro na estrutura do paládio para alguns materiais. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão indicaram um alargamento na distribuição de tamanho das partículas à medida que aumenta a quantidade ouro e uma boa dispersão do material no carbono, exceto para Pd puro. Os espectros de absorção de raios X indicaram um esvaziamento da banda 4d do paládio nos materiais contendo ouro. Com relação à atividade catalítica para a eletro-oxidação de etanol e metanol, os materiais contendo paládio e ouro apresentaram atividade melhor que o Pd puro. Os dados espectro-eletroquímicos indicaram para etanol a presença de acetato e para metanol a presença de formiato. / Abstract: The development of electrocatalysts for the oxidation of alcohols like methanol and ethanol is of great importance, once such alcohols can be used as fuel at the anode of fuel cells, devices that convert chemical energy into electrical energy. Thus, this work reports the synthesis of nanocatalysts of PdAu supported on carbon, physical characterization of materials prepared and the evaluation of the catalytic activity for the oxidation of methanol and ethanol. The physical characterization was performed using X-ray diffraction, transmission electron microscopy, Energy Dispersive spectroscopy X-Ray and X Ray Absorption Spectroscopy techniques. Materials were also electrochemically characterized by cyclic voltammetry. The catalytic activity of the prepared materials was studied using standard electrochemical techniques such as chronoamperometry and cyclic voltammetry and also the spectroelectrochemical technique of in situ FTIR, which allows the identification of reaction products and intermediates. With the X-ray diffraction was possible to prove the gold incorporation into the Pd structure for some materials. The transmission electron microscopy images showed a widening in the distribution of particle size with increasing the amount gold in the material, and a good dispersion of the nanoparticles on carbon support, except for pure Pd. The X-ray absorption spectra indicated a emptying on the 4d band of the material containing PdAu. Related to the catalytic activity for the electro-oxidation of ethanol and methanol, materials containing both palladium and gold showed better activity than pure Pd. The spectro-electrochemical data indicate acetate as main oxidation product for ethanol oxidation and formate for methanol oxidation. / Mestre

A sociedade moderna depende integralmente da produção e consumo de energia em seu dia a dia desde cozinhar, ter energia elétrica, transporte, e para processos industriais. O aumento da demanda de energia elevou também os níveis de poluição, o que produz efeitos diretos na saúde do homem. Desta forma, o homem tem que pesquisar novas formas de energia, que em condições ideais, deve ser gerada de forma limpa. Uma alternativa para que se possa enfrentar este problema é a conversão eletroquímica de energia, a qual pode ser realizada de forma eficiente e limpa através das células a combustível. Existe um interesse muito grande em células que oxidam metanol como combustível, para a aplicação em veículos e equipamentos portáteis. No entanto, para se implementar estas células, é necessário um grande progresso na caracterização dos fenômenos eletródicos associados a esta reação, tanto em nível fundamental quanto tecnológico. No presente trabalho foram desenvolvidos catalisadores de PtW, PtOs, PtRuW, PtWOs, suportados em carbono de alta área superficial, para a oxidação de metanol. Os catalisadores foram preparados através da redução por ácido fórmico e através do método de Bonnëmann. As composições dos materiais foram determinadas por EDX. O tamanho médio das partículas foi obtido por TEM, e foi comparado ao tamanho médio dos cristalitos à partir dos difratogramas de raios X. Os estudos eletroquímicos foram realizados através de voltametrias cíclicas e curvas corrente potencial de estado estacionário utilizando-se a técnica do eletrodo de camada fina porosa. Foram feitas também medidas de EXAFS nos catalisadores mais promissores. Os catalisadores possuem atividade na faixa de potencial de interesse, e foram feitos alguns testes em células a combustível. / Modern society integrally depends on the production and consumption of energy for its activities like cooking, lighting and transportation and also for industrial processes. The increase in the demand for energy increases the levels of pollution, which has a direct negative effect in human health. Thus, it is imperative to search for new power sources which, under ideal conditions, do not pollute the environment. One of the alternatives to attack this problem is the electrochemical energy conversion of chemical energy into electricity which can be carried out in an efficient and clean way with fuel cells. Presently, there is a great interest in fuel cells that oxidize methanol directly, for application in vehicles, portable devices and distributed generation. To make these cells a reality it is still necessary much progress in the understanding of the electrodic phenomena associated to the oxidation of methanol, and in the development of suitable electrocatalysts, at both the fundamental and the technological levels. In this work, PtW; PtOs, PtRuW and PtWOs eletrocatalysts, supported on high surface area carbon, for the direct oxidation of methanol were developed. The catalysts were prepared by reduction with formic acid of the corresponding precursors and by Bonnëmann´s method. Their composition was determined by XRD. The average particle size was determined from TEM, and the results compared to crystallite sizes determined from x-ray diffractograms. The electrochemical studies were carried out with cyclic voltammetry and steady state polarization curves using the thin porous coating electrode technique. Some catalysts were also studied by the EXAFS technique. The catalysts prepared show activity in the potential region of interest, and some of then were tested in single fuel cells.

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.

A platina é um material caro e devido às suas várias aplicações tende a se tornar cada vez mais raro. Levando-se em consideração que as propriedades físicoquímicas das partículas mudam de acordo com o tamanho e formato das mesmas, este trabalho visou estudar a produção de nanopartículas de platina para aplicação em células a combustível, de modo que a quantidade do metal utilizado fosse menor quando comparada com as células comerciais sem que a mesma perdesse eficiência de energia. Para verificação da eficiência dessas nanopartículas foi utilizada membrana polimérica, onde foram depositados primeiramente partículas de carbono em camadas, sendo o tempo de cada deposição de 5 minutos e em seguida foram depositadas as nanopartículas de platina por um tempo de 30 segundos. Essas deposições foram realizadas nos dois lados da membrana, formando então o catodo e o anodo. Para alcançar tal objetivo, foi utilizada técnica assistida a plasma a baixa pressão, onde foi possível obter controles de todos os parâmetros de processo, fator primordial para homogeneização dos tamanhos e formatos das nanopartículas. A utilização dos tempos curtos de processo evitou danos a membrana polimérica devido aos efeitos gerados pelos processos assistidos a plasma, principalmente a temperatura de processo. Após os processos as membranas foram ativadas e em seguida foram montadas nas células e realizados os ensaios. Os resultados alcançados através desses processos foram de 20 mA com tensão de 920 mV, para processos com mais de uma camada de carbono. A comparação da eficiência total entre a célula de combustível comercial e de célula de combustível produzido por técnica assistida a plasma foi de 45%, mostrando aumento de 15% para as células de combustível por meio da técnica assistida a plasma com 70% menos de platina aplicada. / Platinum is an expensive material and due to its various applications tends to become increasingly rare. Taking into consideration that the physico-chemical properties of the particles change according to the size and shape of them, this work was to study the production of platinum nanoparticles for in fuel cells use, so that the amount of metal used was lower when compared to commercial fuel cells, but without energy efficiency lost. To evaluate the efficiency of these nanoparticles, polymeric membrane was used, in which were deposited carbon particles in layers. Each carbon layer deposition time was made in 5 minutes and then was deposited platinum nanoparticles for a time of 30 seconds. These depositions were performed on both sides of the membrane, thus forming the cathode and anode. To achieve this goal, were used technique of low pressure plasma, where it was possible to get control of all process parameters, a key factor for homogenization of sizes and shapes of nanoparticles. The use of short process times prevented damage to the polymeric membrane due to the effect generated by the plasma, mainly the process temperature. After the processes, the membranes were activated and then the cells were assembled and the tests. The results achieved by these processes were 20 mA of current and 920 mV of voltage, applying processes with more than one layer of carbon. The comparison of total efficiency between commercial fuel cell and fuel cell produced by plasma technique was 45 % showing increase of 15 % for fuel cell by plasma technique with 70 % less platinum applied.