The main purpose of this work - to investigate patterns of electrochemical oxidation of ascorbic acid on polyaniline and poly(N-methylaniline) modified electrodes, in order to develop ascorbate-sensitive sensors. A detailed study of various factors affecting the aniline and N-methylaniline electrochemical polymerization and the resulting properties of PANI and PNMA layers was carried out for this purpose. Comparative study of modified electrodes in solutions of different acidity was performed and it was shown that PNMA had a better redox activity in slightly acidic and neutral solutions compared to polyaniline. The nature of amperometric response of modified electrodes to ascorbate was investigated and autocatalytic mechanism of ascorbate electrooxidation on PANI modified electrode was suggested. Using PANI and PNMA modified electrodes, prototypes of amperometric ascorbate sensors have been developed and their comparative studies were carried out. / Darbo tikslas - ištirti askorbo rūgšties elektrocheminės oksidacijos ant elektrodų, modifikuotų polianilinu ir poli(N-metilanilinu), dėsningumus, siekiant sukurti jautrius askorbatui jutiklius. Ištirta įvairių faktorių įtaka anilino ir N-metilanilino elektrocheminei polimerizacijai bei gautų PANI ir PNMA sluoksnių savybėms. Atlikti palyginamieji modifikuotų elektrodų tyrimai skirtingo pH tirpaluose ir parodyta, kad PNMA lyginant su polianilinu pasižymi geresniu aktyvumu silpnai rūgščiuose ir neutraliuose tirpaluose. Ištirtas modifikuotų elektrodų amperometrinio atsako į askorbatą pobūdis, ir pasiūlytas autokatalizinis askorbato elektrooksidacijos mechanizmas ant PANI modifikuoto elektrodo. Panaudojus PANI ir PNMA modifikuotus elektrodus, sukurti amperometrinių askorbato jutiklių prototipai ir atlikti jų palyginamieji tyrimai.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-04-30Bitstream added on 2014-06-13T19:09:17Z : No. of bitstreams: 1 perez_l_me_bauru.pdf: 2493638 bytes, checksum: 26329bfa30a60d575a769d58ce9d9493 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A oxidação do metanol apresenta problemas acentuadamente complexos que ainda não foram satisfatoriamente solucionados. Possui um mecanismo duplo caminho, ou seja, diretamente a CO2 ou pelo caminho alternativo via intermediários. Também como intermediário/produto da reação ocorre a formação de CO que é usualmente identificado como o agente bloqueador da superfície eletródica devido à sua adsorção irreversível. Baseado em um estudo recente da reação de oxidação do metanol sobre Pt por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE), este trabalho teve por objetivo aplicar a técnica de EIE no estudo da eletrocatálise da reação de oxidação do metanol sobre fases intermetálicas ordenadas de PtMn, PtSb e PtSn em meio ácido, visto que os metais Mn, Sb e Sn por apresentarem característica oxifílica, podem formar mais facilmente espécies OH que promovem a oxidação de intermediários fortemente adsorvidos nos sítios ativos da superfície eletródica. Os intermetálicos também apresentam maior distância entre os sítios da platina o que pode favorecer uma configuração de adsorção vertical da molécula de CO que é mais fácil de oxidar quando comparado a uma configuração em ponte. Uma análise prévia da atividade catalítica desses materiais para a reação de oxidação do metanol foi realizada empregando-se as técnicas de voltametria cíclica cronoamperometria. Os resultados obtidos mostraram que o processo de oxidação do metanal utilizando os intermetálicos apresentou um deslocamento para valores menos positivos do potencial de início de oxidação, necessitando de uma menor demanda energética para que o processo de oxidação ocorra sobre a superfície destes intermetálicos. A oxidação do metanol apresentou densidade de corrente de corrente de pico superior para esses materiais quando comparado... / Methanol oxidation reaction congregates very complex constraints that were not conveniently solved so far. This reaction usually follows a dual pathway, i.e. direct oxidation to CO2 or through an alternative path via stable intermediates. CO is the most commom identified intermediate of the reaction and surface blocking agent due to its irreversible adsorption characteristic. The here in research is based on recent study performed with the methanol oxidation reaction on Platinum by employing the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique. The aim of the research was to investigate the methanol oxidation reaction on PtMn, PtSb and PtSn ordered intermetallic surfaces, in acid medium, by means of the EIS technique. These materials were selected to the study since they have oxophilic metals (Mn, Sb and Sn) that could provide OH species on the electrode surface at electrode potentials less positive than polycrystalline Platinum under the same experimental conditions. Moreover, these surfaces also exhibits a larger Pt-Pt distance in comparison to polycrystalline Platinum that inhibits the stable bridge configuration adsorption of CO. The electrochemical data obtained have demonstrated that ehe methanol oxidation reaction on the studied surfaces presented a less positive onset potential as compared to Pt. The materials also have exhibited a higher maxima current densities and lower susceptibility for CO blocking than Pt. EIS spectra obtained fot the reaction taking place on Pt, PtSb and PtSn have presented an inductive component that is characteristic of stable intermediate adsorption process. Steady state measurements have pointed to a change in the mechanism of the reaction probably due to the action of surface oxygenated species. Furthemore, the EIS technique has been proved o be a powerful tool to investigate... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: Hebe de las Mercedes Villullas / Banca: Rodrigo Fernando Costa Marques / Banca: Leandro Martins / Banca: Elisabete Inacio Santiago / Banca: Joelma Perez / Abstract: Carbon supported PdAu nanoparticles with different Au contents (20-50% in atoms) were synthesized using a procedure carried out in a liquid two-phase system. As-prepared materials presented similar average particle diameter (~3nm) with narrow distribution over the carbon support, as shown by Transmission Electronic Microscopy (TEM). The combined data from X-ray Diffraction (XRD) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) suggest that nanoparticles had Pd-enriched surfaces and Au-rich interiors. Cyclic Voltammetry (CVs) studies in H2SO4 further reinforced these findings, confirming that the nanoparticle surfaces were enriched with Pd. Moreover, XPS results show that increasing the Au content of PdAu alloys leads to varying amounts of surface-like and bulk-like Pd oxide, with a significant increase of metallic Pd. This result is consistent with data of X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) around Pd L3 edge, which revealed that Au promotes an increase in the electronic occupancy of the Pd 4d band. Therefore, this whole set of characterizations suggests that the presence of Au in PdAu nanoalloys decreases the Pd affinity for oxygen, giving Pd a more noble-like character. In addition, the influence of ligand and ensemble effects on electrochemical surface processes, such as oxide formation/reduction, CO oxidation and hydrogen adsorption were also investigated. This was also a necessary step in order to determine the best technique to measure the Electrochemical Active Area (EAA) of... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: Nanopartículas de PdAu suportadas em carbono com diferentes frações de Au (20-50% em átomos) foram sintetizadas em um sistema líquido de duas fases. As nanopartículas preparadas apresentaram diâmetro médio próximo a 3 nm, com uma distribuição homogênea sobre o suporte de carbono, o que foi demonstrado por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). O conjunto dos dados coletados por difração de raios X (XRD) e por espetroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS) demonstrou que o interior das nanopartículas é enriquecido por Au, enquanto a superfície é mais rica em Pd. A análise por XPS também demonstrou que o aumento da fração de Au nas ligas de PdAu leva a uma variação na fração de diferentes espécies de óxidos de Pd e um aumento na quantidade total de Pd metálico. Este resultado é consistente com aquele obtido por espectroscopia de absorção de raios-X (XAS), realizada na borda L3 do Pd, a qual revelou que o Au promove um preenchimento eletrônico na banda 4d do Pd. Ou seja, a presença do Au parece diminuir a afinidade do Pd pelo oxigênio. Ademais, foram estudados a influência de efeitos eletrônicos e do arranjo superficial de átomos sobre os processos eletroquímicos de formação/redução de óxidos, oxidação de CO adsorvido e adsorção de hidrogênio. Estes estudos também permitiram a determinação da área eletroquímica ativa de Pd. Por meio de todas estas caracterizações foi possível traçar correlações entre a composição no cerne das nanopartículas de PdAu e suas propri... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Orientador: Antonio Carlos Dias Ângelo / Banca: Hamilton Brandão Varela de Albuquerque / Banca: Aguinaldo Robinson de Souza / O Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter institucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi da Unesp / Resumo: Fases intermetálicas ordenadas de platina e de alguns metais de transição, Pt-M (M = Mn, Mo, Pb, Sb e Sn), são propostas como materiais eletrocatalisadores para serem utilizadas em células a combustível de oxidação direta de etanol pela possibilidade de unir, nestes materiais, a excelente capacidade de adsorção dos combustíveis orgânicos pelos sítios de platina e a menor susceptibilidade de bloqueio dos sítios dos metais de transição por intermediários e produtos de reação. O procedimento experimental usado na obtenção das fases intermetálicas ordenadas foi a fusão dos metais puros em um forno a arco voltaico, sob atmosfera de argônio, pesados em proporção estequiométrica 1:1, com posterior re-fusão dos materiais em um forno de indução térmica e tratamento térmico por 24h na temperatura de estabilização da fase. Os materiais obtidos foram caracterizados pelas técnicas de Difração de Raios-X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura com Energia Dispersiva de Fluorescência de Raios-X (MEV-EDX) e Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X (XPS), cujos resultados indicaram que a metodologia utilizada levou a obtenção de materiais com excelentes características de compactação e homogeneidade, não apresentando segregação de fases e variação desprezível de composição. A avaliação da atividade eletrocatalítica destes materiais para a reação do etanol foi realizada empregando... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Ordered intermetallic platinum phases with several transition metals, Pt-M (M = Mn, Mo, Pb, Sb e Sn), have been proposed as electrocatalytic materials to be used in direct ethanol fuel cells, as they combine an excellent capacity to adsorb organic fuels at the platinum sites with the low susceptibility to being poisoned by intermediates and reaction products at the transition-metal sites. The experimental procedure used to obtain the ordered intermetallic phases was the melting of the pure metals weighed in 1:1 molar stoichiometric proportion in an electric-arc furnace, under an argon atmosphere, afterwards the materials were re-melted in a thermal induction furnace and annealed for 24h at the temperature at which the desired phase is stable. The phases thus produced were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy with surface analysis by Energy-Dispersive X-ray Spectrometry (SEM-EDX), Scanning Tunneling Microscopy (STM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and these results showed that the methodology used was succeeded in obtaining ordered intermetallic platinum phases with a high level of homogeneity, no detectable phase segregation and no significant composition variation. The evaluation of the electrocatalytic activity of these materials for the ethanol oxidation reaction was performed by cyclic voltammetry and chronoamperometry techniques... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Antonio Carlos Dias Ângelo / Banca: Joelma Perez / Banca: Mauro Coelho dos Santos / Resumo: A oxidação do metanol apresenta problemas acentuadamente complexos que ainda não foram satisfatoriamente solucionados. Possui um mecanismo duplo caminho, ou seja, diretamente a CO2 ou pelo caminho alternativo via intermediários. Também como intermediário/produto da reação ocorre a formação de CO que é usualmente identificado como o agente bloqueador da superfície eletródica devido à sua adsorção irreversível. Baseado em um estudo recente da reação de oxidação do metanol sobre Pt por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE), este trabalho teve por objetivo aplicar a técnica de EIE no estudo da eletrocatálise da reação de oxidação do metanol sobre fases intermetálicas ordenadas de PtMn, PtSb e PtSn em meio ácido, visto que os metais Mn, Sb e Sn por apresentarem característica oxifílica, podem formar mais facilmente espécies OH que promovem a oxidação de intermediários fortemente adsorvidos nos sítios ativos da superfície eletródica. Os intermetálicos também apresentam maior distância entre os sítios da platina o que pode favorecer uma configuração de adsorção vertical da molécula de CO que é mais fácil de oxidar quando comparado a uma configuração em ponte. Uma análise prévia da atividade catalítica desses materiais para a reação de oxidação do metanol foi realizada empregando-se as técnicas de voltametria cíclica cronoamperometria. Os resultados obtidos mostraram que o processo de oxidação do metanal utilizando os intermetálicos apresentou um deslocamento para valores menos positivos do potencial de início de oxidação, necessitando de uma menor demanda energética para que o processo de oxidação ocorra sobre a superfície destes intermetálicos. A oxidação do metanol apresentou densidade de corrente de corrente de pico superior para esses materiais quando comparado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Methanol oxidation reaction congregates very complex constraints that were not conveniently solved so far. This reaction usually follows a dual pathway, i.e. direct oxidation to CO2 or through an alternative path via stable intermediates. CO is the most commom identified intermediate of the reaction and surface blocking agent due to its irreversible adsorption characteristic. The here in research is based on recent study performed with the methanol oxidation reaction on Platinum by employing the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique. The aim of the research was to investigate the methanol oxidation reaction on PtMn, PtSb and PtSn ordered intermetallic surfaces, in acid medium, by means of the EIS technique. These materials were selected to the study since they have oxophilic metals (Mn, Sb and Sn) that could provide OH species on the electrode surface at electrode potentials less positive than polycrystalline Platinum under the same experimental conditions. Moreover, these surfaces also exhibits a larger Pt-Pt distance in comparison to polycrystalline Platinum that inhibits the stable bridge configuration adsorption of CO. The electrochemical data obtained have demonstrated that ehe methanol oxidation reaction on the studied surfaces presented a less positive onset potential as compared to Pt. The materials also have exhibited a higher maxima current densities and lower susceptibility for CO blocking than Pt. EIS spectra obtained fot the reaction taking place on Pt, PtSb and PtSn have presented an inductive component that is characteristic of stable intermediate adsorption process. Steady state measurements have pointed to a change in the mechanism of the reaction probably due to the action of surface oxygenated species. Furthemore, the EIS technique has been proved o be a powerful tool to investigate... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Ce mémoire est essentiellement consacré à la synthèse électrochimique et à la caractérisation structurale de matériaux composites d'électrode nanostructurés du type polymère fonctionnalisé contenant une dispersion homogène de nanoparticules d'oxydes de ruthénium ou d'iridium, ainsi qu'à l'étude de leurs propriétés électrocatalytiques vis-à-vis de l'oxydation en milieu aqueux de l'arsenic(III) en arsenic(V). La combinaison de l'oxydation électrocatalytique de l'arsenic(III) avec la technique d'ultrafiltration LPR (Liquid phase Polymer-assisted Retention) nous a permis de confirmer tout l'intérêt de cette approche combinée pour éliminer l'arsenic. Dans ce processus, les matériaux nanocomposites à base d'oxyde d'iridium ont montré les propriétés les plus intéressantes, car ils sont capables de catalyser l'oxydation de l'arsénite en milieu neutre et à des potentiels peu positifs. Enfin, les matériaux d'électrode nanostructurés à base d'oxyde d'iridium sont également efficaces pour l'oxydation catalytique à 4 électrons de l'eau en dioxygène et présentent donc un fort intérêt potentiel dans le contexte de la réaction de dissociation de l'eau. Mots clés : oxyde de ruthénium, oxyde d'iridium, nanocomposite, électrocatalyse, arsenic, ultrafiltration, oxydation de l'eau / This work deals with the electrochemical synthesis and structural characterisation of composite nano-structured functionalized polymer electrodes containing a homogeneous dispersion of ruthenium oxide or iridium oxide nanoparticles, and the study of their electrocatalytic properties towards arsenic (III) oxidation to arsenic (V) in aqueous medium. The combination of electrocatalytic oxidation of arsenic (III) with the ultrafiltration technique LPR (Liquid Phase Polymer-assisted Retention) allowed us to confirm the usefulness of this combined approach for arsenic removal. In this process, the nanocomposite materials based on iridium oxide showed the most interesting properties because they are capable of catalyzing the oxidation of arsenite in neutral and slightly positive potential. Finally, the iridium oxide nanostructured electrodes are also effective for the catalytic water oxidation of 4-electrons in oxygen and thus have the potential to be used in the context of the dissociation reaction of water. Keywords: ruthenium oxide, iridium oxide, nanocomposite, electrocatalysis, arsenic, ultrafiltration, water oxidation.

Ce mémoire de thèse est consacré à la mise au point, l'optimisation et l'étude de différentssystèmes moléculaires photocatalytiques de réduction des protons aussi bien en solvant organique,qu'en solvant purement aqueux. Des complexes polypyridiniques de rhodium et de cobalt ont, tout d'abord, été étudiés par électrochimie en solvant, organique en présence d'une source de protons afin d'évaluer leurs potentiels catalytiques. Ils ont ensuite été associés au complexe ruthenium(II)-trisbipyrine, utilisé comme photosensibilisateur, et à un donneur d'électron sacrificiel, la triéthanolamine ou l'ascorbate de sodium pour constituer un système photocatalytique de réduction des protons en dihydrogène (H2). La production de H2 a été évaluée par chromatographie en phase gazeuse et le mécanisme de libération de l'hydrogène a été étudié par spectroscopie d'absorption transitoire. Nous avons pu mettre en évidence que le système [Ru(bpy)3]2+/[Rh(dmbpy)2Cl2]+/NaHA/H2A est parmi les plus actifs jamais décrits pour la réduction des protons dans l'eau pure avec plus de 1000 cycles catalytiques pour le catalyseur. Par la suite, le catalyseur [Rh(dmbpy)2Cl2]+ et le photosensibilisateur ont été reliées par liaison covalente et l'effet de cette association sur l'activité photocatalytique du système a été étudié. Nous avons pu démontrer que le lien covalent non conjugué permet non seulement de conserver les propriétés rédox des deux sous-unités mais également d'augmenter la stabilité et donc l'efficacité du système de manière significative. La dernière partie de ce manuscrit est consacrée à la synthèse, la caractérisation et à l'utilisation en photocatalyse d'un catalyseur macrocyclique de cobalt en association avec [Ru(bpy)3]2+. Ce catalyseur s'est avéré très prometteur puisque les performances mesurées sont supérieures, à condition catalytique équivalente, à celles du complexe [Rh(dmbpy)2Cl2]+. / This thesis is focussed on the development, optimisation and study of different molecular photocatalytic systems for the reduction of protons, in both organic solvents and pure water. Several polypyridine complexes of rhodium and cobalt have been studied by electrochemistry in organic solvents, in the presence of a source of protons, in order to evaluate their catalytic performance for the reduction of protons. They have been studied in the presence of [Ru(bpy)3]2+, which is used as a photosensitiser, and a sacrificial electron donor, either triethanolamine or sodiumascorbate, to construct a photocatalytic system for the reduction of protons to dihydrogen. The production of H2 has been quantified by gas chromatography, and the mechanism of formation of hydrogen has been studied by transient absorption spectroscopy. We have shown that the system [Ru(bpy)3]2+/[Rh(dmbpy)2Cl2]+/NaHA/H2A is amongst the most efficient yet described for the reduction of protons to hydrogen in pure water, with more than 1000 catalytic cycles per molecule of catalyst observed. Furthermore, the [Rh(dmbpy)2Cl2]+ catalyst and the [Ru(bpy)3]2+ photosensitiser have been joined by an alkyl bridge and the effect of this on the photocatalytic activity of the system has beenstudied. We have demonstrated that the non-conjugated covalent link allows not only maintenance ofthe redox properties of both sub-units, but also significantly increases the stability and the efficiency of the system.The final part of this thesis is devoted to the synthesis, characterisation and use of a macrocyclic cobalt complex as a catalyst for photocatalysis of the reduction of protons, in the presence of both [Ru(bpy)3]2+ and sodium ascorbate. This catalyst shows promising activity; its performance is better than that of [Rh(dmbpy)2Cl2]+ under the same catalytic conditions.

O efeito da presença do praseodímio em catalisadores de Pt/C e PtSn/C para eletro-oxidação de etanol foi estudado neste trabalho. Os principais objetivos foram estudar alterações na rota sintética da metodologia do ácido fórmico, visando catalisadores com propriedades físico-químicas que aumentem a eficiência frente a reação de oxidação de etanol; entender o motivo das variações na atividade catalítica; e avaliar a estabilidade dos catalisadores nas condições de operação da célula. A atmosfera de síntese dos catalisadores de PtPr/C influencia fortemente as atividades catalíticas destes materiais. Os catalisadores sintetizados em atmosfera de CO apresentaram antecipação do potencial de pico de oxidação de CO e maior área ativa em relação aos materiais sintetizados em atmosfera de hidrogênio. A mudança de atmosfera para gás CO promoveu mudanças físicas como a redução do tamanho médio de cristalito e tamanho médio de partícula. A adição de praseodímio promove a oxidação do etanol em menores potenciais que a platina, por favorecer o mecanismo bifuncional. A adição de estanho ao catalisador PtPr/C teve um efeito benéfico na atividade catalítica. Os dados DRX não indicam alto grau de liga Pt-Sn, mas mesmo em forma de óxido, o estanho apresentou um efeito eletrônico, como informado pelos dados de XAS. A interação de Pt-Sn promove a dissociação da água para formar Sn-OHad próximo a espécies de monóxido de carbono adsorvidas na Pt, facilitando a rápida oxidação de etanol. Os testes de estabilidade indicaram que os catalisadores PtSnPr/C apresentam grande variação da área ativa com sucessivas ciclagens. Apesar da dissolução de espécies de estanho, a adição de praseodímio contribuiu para elevar a estabilidade dos catalisadores sintetizados. / The effect of praseodymium presence in Pt/C and PtSn/C catalysts for ethanol electro-oxidation was investigated. The main objectives were the evaluation of a modified formic acid synthesis method for the preparation of PtPr/C and PtSnPr/C catalysts with enhanced activity for the ethanol oxidation reaction and stability at the cell operating conditions. The synthesis atmosphere of PtPr/C catalysts highly influences the catalytic activity of these materials. The catalysts synthesized in CO atmosphere showed a lower onset potential for CO oxidation and a higher active surface area than those synthesized in a hydrogen atmosphere. The CO atmosphere promoted physical changes such as reduction of crystallite size and particle size. Addition of praseodymium to Pt/C catalyst improved the activity for ethanol oxidation by the bifunctional mechanism. Tin addition to the PtPr/C catalyst had a beneficial effect on catalytic activity. XRD data no indicated Pt-Sn alloy, but even in oxide form, tin presented an electronic effect, as reported by XAS data. The interaction of Pt with Sn promotes the dissociation of water to form Sn-OHadsorbed close to carbon monoxide adsorbed on the Pt, and it facilitates a fast ethanol oxidation. Stability tests showed a change in the active area of the PtSnPr/C catalysts after repetitive potential cycling. Although the tin species dissolution, the praseodymium addition increased the catalysts stability.

O desenvolvimento de eletrocatalisadores eletricamente condutores com alta atividade para a reação de redução de oxigênio (ORR - Oxygen Reduction Reaction) e desprendimento de oxigênio (OER - Oxygen Evolution Reaction) é de extrema importância e interesse para dispositivos de eletro-conversão de energia, como as células a combustível e eletrolisadores, que operam tanto em meio alcalino quanto ácido. Em meio alcalino, é possível o uso de metais não nobres e, assim, são viáveis para o uso em larga escala. Em meio ácido, é necessário o uso de materiais estáveis, uma vez que eles são expostos a um ambiente extremamente corrosivo e à altos potenciais, principalmente durante o processo de liga/desliga do dispositivo. Diante disso, este trabalho foi dividido em três linhas de pesquisa: Parte I - estudos de eletrocatalisadores bifuncionais para a ORR e OER em meio alcalino, sendo eles compostos por espinélios de manganês-cobalto em combinação com nanopartículas de ouro (MnCo2O4/Au). Parte II - estudos de eletrocatalisadores alternativos para a ORR em eletrólito ácido, onde foram considerados carbetos e nitretos de molibdênio (Mo2C-MoN) e, oxinitretos de tântalo (Ta-ON). Parte III - estudo de suportes alternativos ao carbono para a ORR em eletrólito ácido, sendo eles compostos por carbonitretos de tântalo e titânio (Ta-CN e Ti-CN). Os resultados da Parte I para MnCo2O4/Au mostraram que houve um aumento significativo na atividade de MnCo2O4 com a adição de ouro para ambas as reações. Foi possível observar que a combinação de nanopartículas condutoras (ouro) com nanopartículas ativas, mas não condutoras (MnCo2O4), é promissora para o desenvolvimento de eletrocatalisadores ativos para uso como eletrodos de oxigênio. Quanto a Parte II, os materiais compostos por Mo2C-MoN foram obtidos por meio da inserção de carbono e nitrogênio com tratamento térmico, na presença de carbono Vulcan e NH3, em alta temperatura. O material nomeado como MoN + Mo2C (molibdato) foi o que apresentou maior atividade catalítica, o que pôde ser atribuído ao menor tamanho de cristalito, maior quantidade da sua fase MoN e ao efeito sinérgico entre MoN e Mo2C, facilitando a ORR em comparação ao nitreto e carbeto de molibdênio puros. Nesta mesma linha de pesquisa, oxinitretos de tântalo foram sintetizados utilizando ureia como fonte de nitrogênio. Foi observado que Ti-Ta-ON apresentou maior atividade catalítica quando comparado aos demais eletrocatalisadores. Já na Parte III, os resultados para carbonitreto de titânio como suporte para a platina (Pt/Ti-CN) mostraram que, além da sua atividade para a ORR ser semelhante à platina suportada em carbono (Pt/C), ele também se mostrou mais estável que Pt/C após a realização de testes de estabilidade. / The development of conductive electrocatalysts with high activity for the oxygen reduction and evolution reactions (ORR and OER) is of extremely importance for devices that electroconvert energy, such as fuel cells and electrolizers, which work in alkaline and acid media. A substantial amount of metals can be employed in alkaline electrolytes once the latter do not require the use of noble metals. The acid medium asks for stable materials, since they are exposed to a high oxidative environment and potentials during the start-up/shutdown events of the device. On the base of these facts, this research work has been divided into three parts: Part I - bifunctional electrocatalysts studies for the ORR and OER in alkaline electrolyte, the materials were composed of spinel manganese-cobalt oxide combined with gold nanoparticles (MnCo2O4/Au). Part II - studies of alternative electrocatalysts for the ORR in acid electrolyte, which included molybdenum carbides and nitrides (Mo2C-MoN), and tantalum oxynitrides (Ta-ON). Part III - alternative supports to the carbon for the ORR in acid electrolyte, which included tantalum and titanium carbonitrides (Ta-CN and Ti-CN). The results for MnCo2O4/Au, in Part I, showed that the addition of gold on the surface of the oxide improved the latter activity for both reactions. The combination of conductive nanoparticles (gold) with active, but non-conductive, nanoparticles (MnCo2O4) seems promising for the development of active electrocatalysts for the ORR and OER. In Part II, the materials composed of Mo2C-MoN were synthesized through carbon and nitrogen insertion, in a high temperature heat treatment, in the presence of Vulcan carbon and NH3. Among the gotten materials, the so called MoN + Mo2C (molybdate) showed the better electrocatalytic activity for the ORR, which could be attributed to its smaller crystallite size and the greater amount of its MoN phase, along with the synergistic effect between MoN and Mo2C. In this way, tantalum oxynitrides materials were obtained via a urea synthesis. The catalyst referred to as Ti-Ta-ON showed the better ORR activity among all the others studied oxynitrides materials. In Part III, besides the activity for the ORR of platinum supported on titanium carbonitride (Pt/Ti-CN) was similar to the activity of platinum supported on carbon (Pt/C), Pt/Ti-CN was also more stable than the latter, after the stability tests.

Orientador: Prof. Dr. Mauro Coelho dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2018. / Eletrocatalisadores Pt/C e PtSn/C (20% em massa de metal no suporte) foram sintetizados pelo método de Redução Química por Borohidreto de Sódio, sendo adicionadas nanobarras (nanorods-NR) de CeO2 aos materiais binários, nas porcentagens de 5, 10 e 20% da carga metálica, para a formação do material híbrido. As razões mássicas obtidas por meio dos experimentos de MEV-EDS para Pt3Sn1/C (75:25), Pt2Sn1/C (67:33), Pt1Sn1/C (50:50) e Pt3Sn1_%NR/C (75:25) encontraram-se próximas às composições nominais de partida. O tamanho médio de cristalito variou de 1 a 4 nm para os materiais sintetizados. Por meio dos difratogramas de raios X verificou-se que não houve formação de liga entre platina (Pt) e estanho (Sn) a partir dos cálculos de parâmetro de rede para os picos (111); (200) e (220) da platina, e observou-se a distribuição das nanopartículas no suporte de forma mais aglomerada para os materiais contendo Sn e NR, por meio da Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). Os experimentos eletroquímicos revelaram que os eletrocatalisadores Pt/C e PtSn/C apresentaram picos bem definidos na região de dessorção/ adsorção de hidrogênio e verificou-se que o eletrocatalisador Pt3Sn1_20%NRCeO2/C se destacou nos experimentos de Stripping de CO por apresentar menor potencial de início de oxidação e maior valor de área superficial eletroquimicamente ativa. Os demais experimentos eletroquímicos para oxidação de etanol mostraram atividade semelhante entre os eletrocatalisadores Pt3Sn1/C e Pt3Sn1_20%NRCeO2/C, tanto em termos de potencial de início de oxidação, verificados por voltametria cíclica, quanto em termos de intensidade de corrente por meio de cronoamperometrias. Experimentos em célula a combustível unitária exibiram maiores valores de potencial de circuito aberto, para o material Pt3Sn1_20%NRCeO2/C, além da promissora atividade quando comparado ao material Pt3Sn1/C em termos de densidade de potência, uma vez que, foram obtidos 3,01 mW cm-2 utilizando-se o eletrocatalisador com NR, para oxidação de etanol, valor este que apresenta-se próximo a 3,82 mW cm-2 obtido com o material Pt3Sn1/C, e superior ao eletrocatalisador Pt/C, que apresentou densidade de potência de 0,62 mW cm-2 nas mesmas condições experimentais. / Pt/ C and PtSn/ C electrocatalysts (20% by weight of metal in the support) were synthesized by the Sodium Borohydride Chemical Reduction method, with CeO2 nanorods (NR) added to the binary materials at the percentages of 5, 10 and 20% of the metallic charge, for the formation of the hybrid material. The weight ratios obtained by the SEM-EDS experiments for Pt3Sn1/ C (75:25), Pt2Sn1/ C (67:33), Pt1Sn1/ C (50:50) and Pt3Sn1_% NR/ C (75:25) found close to the nominal starting compositions. The average crystallite size ranged from 1 to 4 nm for the synthesized materials. By means of the X-ray diffractograms it was verified that there was no alloying between platinum (Pt) and tin (Sn) from the network parameter calculations for the peaks (111); (200) and (220) of the platinum, and the distribution of the nanoparticles in the support in a more agglomerated form was observed for the materials containing Sn and NR, by Transmission Electron Microscopy (TEM). Electrochemical experiments showed that the Pt/ C and PtSn/ C electrocatalysts had well defined peaks in the region of hydrogen desorption / adsorption and it was verified that the electrocatalyst Pt3Sn1_20% NRCeO2/ C was highlighted in the CO Stripping experiments because of the lower potential of oxidation onset and higher value of electrochemically active surface area. The other electrochemical experiments for the oxidation of ethanol showed similar activity between the Pt3Sn1/ C and Pt3Sn1_20% NRCeO2/ C electrocatalysts both in terms of oxidation initiation potential, verified by cyclic voltammetry, and in terms of current intensity by means of chronoamperometries. Experiments in the unitary fuel cell exhibited higher open circuit potential values for the Pt3Sn1_20% NRCeO2/ C material, as well as the promising activity when compared to the Pt3Sn1/ C material in terms of power density, since 3.01 mW cm-2 using the electrocatalyst with NR, for the oxidation of ethanol, which is close to 3.82 mW cm-2 obtained with the Pt3Sn1/ C material, and higher than the Pt/ C electrocatalyst. showed a power density of 0.62 mW cm-2 under the same experimental conditions.