A produção de energia limpa e renovável é uma preocupação crescente da sociedade. Dentre as alternativas para produção de energia estão as células a combustível. Dentre os vários tipos de células, existem as PEMFC (Proton Exchange Membran Fuel Cell) que possuem vantagem de operar em baixa temperatura e podem utilizar como combustível hidrogênio ou álcoois. Porém as células PEM que utilizam álcool como combustível, ainda apresentam um rendimento inferior aquelas que operam com hidrogênio, além disso essas células requerem platina ou outros metais nobres porque somente estes materiais são relativamente estáveis nestas condições de pH. Nos últimos anos as células combustíveis alcalinas tem ganhado destaque devido à maior estabilidade dos eletrocalisadores, aumentando a possibilidade de utilização de metais não nobres ou óxidos metálicos. Neste trabalho, catalisadores do tipo Pt/C-CeO2 foram sintetizados sobre carbono de alta área superficial, variando-se a quantidade de CeO2 entre 0 a 10%. Os eletro-catalisadores contendo menor quantidade de óxidos apresentaram maior atividade frente a oxidação do etanol em meio básico. / The production of clean and renewable energy is a growing concern of society. Among the alternatives for energy production are fuel cells. Among the various types of cells, there are PEMFCs (Proton Exchange Membranes) which have the advantage of operating at low temperature and can use hydrogen or alcohols as fuel. However, PEM cells that use alcohol as fuel still have lower yields than those operating on hydrogen. In addition, these cells require platinum or other noble metals because only these materials are relatively stable under these pH conditions. In recent years alkaline fuel cells have gained prominence due to the greater stability of the electrocatalyst, increasing the possibility of using non-noble metals or metal oxides. In this work, catalysts like Pt-CeO2/C type were synthesized on carbon of high surface area, varying the amount of CeO2 between 0 and 10% (m/m). The electrocatalysts containing less oxides showed higher activity against the oxidation of ethanol in a basic medium.

Orientador: Prof. Dr. Mauro Coelho dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2015. / A reação de oxidação eletroquímica do etanol foi estudada em meio alcalino utilizando-se os eletrocatalisadores Pd e PdBi (razões atômicas 90:10, 50:50 e 70:30 em 20% de metais) suportados em carbono e nanotubos de carbono. As formulações propostas foram preparadas pelo método de redução por borohidreto de sódio. Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), difração de raios-X (DRX), e tamanho de partículas entre 2 e 4 nm mostrados pela análise de MET, voltametria cíclica (VC) e a atividade catalítica pela técnica eletroquímica da cronoamperometria. O estudo do mecanismo de oxidação eletroquímica do etanol foi estudado por meio da técnica de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) in situ. As razões atômicas dos eletrocatalisadores obtidas por EDX ficaram próximas das razões atômicas nominais. O tamanho médio dos cristalitos foi estimado por difração de raios X utilizando a equação de Scherrer e estiveram próximos aos valores medidos por MET. Experimentos de voltametria cíclica e cronoamperometria foram realizados para avaliar a atividade eletrocatalítica dos materiais. O eletrocatalisador PdBi/C 90:10 apresentou melhor atividade catalítica quando comparado aos demais eletrocatalisadores. O efeito observado deve-se, provavelmente, ao fato de que pequenas quantidades de Bi favoreçam a remoção de intermediários adsorvidos no paládio por meio do mecanismo bifuncional ou do efeito eletrônico, além da intensidade maior do acetato observado na análise de FTIR in situ na oxidação do etanol. Análises de ATR-FTIR realizadas in situ empregando os eletrocatalisadores Pd e PdBi (razão atômica 90:10) suportados em carbono e nanotubos de carbono identificaram acetato, acetaldeído e carbonato como subprodutos formados da oxidação eletroquímica do etanol. / The reaction of electrochemical oxidation of ethanol in alkaline solution was investigated using the electrocatalysts PdBi and Pd (atomic ratio 90:10, 50:50 and 70:30 in 20% metals) supported on carbon and carbon nanotubes. The proposed formulations were prepared by the method of reduction by sodium borohydride. The obtained electrocatalysts were characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD) and particle size between 2 and 4 nm were measured by TEM analysis. The electrochemical characterization were evaluated using cyclic voltammetry and chronoamperometry techniques. The study of the electrochemical mechanism of ethanol oxidation was studied by infrared spectroscopy in Fourier transform (FTIR) in situ. The atomic ratios of the electrocatalysts obtained by EDX were close to the nominal atomic ratios. The average crystallite size was estimated by X-ray diffraction using the Scherrer equation and the measured values were close those found using TEM. The electrocatalyst PdBi / C 90:10 showed better catalytic activity when compared to other electrocatalysts. The higher catalytic activity of the electrocatalyst PdBi / C 90:10 can be attributed to the fact of that small amounts of Bi favor the removal of the adsorbed intermediates via palladium bifunctional mechanism or electronic effect in addition to the greater intensity of the observed FTIR analysis acetate in situ in the oxidation of ethanol. Also, ATR-FTIR analysis carried out in situ employing the electrocatalyst PdBi and Pd (atomic ratio 90:10) supported on carbon and carbon nanotubes identified acetate, acetaldehyde and carbonate formed as by-products of electrochemical oxidation of ethanol.

Orientador: Prof. Dr. Álvaro Takeo Omori / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2015. / Este trabalho consistiu no estudo visando à síntese de alguns 7-azanorbornanos (7- azabiciclo[2.2.1]heptanos) substituídos. Como esta classe de compostos já é amplamente estudada, principalmente após a descoberta da (-)-epibatidina (IV), alcalóide com potencial atividade analgésica, a meta foi explorar a reação de Mannich intramolecular desenvolvida por Rapoport para substratos mais simples. Para tal, o composto modelo racêmico II foi sintetizado em 4 etapas e caracterizado com sucesso (com 9% de rendimento total). Porém, não se obteve sucesso na síntese do análogo cetoéster quiral por duas rotas alternativas: via ácido glutâmico/piroglutâmico e via Lprolina. Os testes de ciclização (Mannich intramolecular) do composto modelo foram realizados e identificou-se o BF3 .Et2O como ácido de Lewis mais eficiente para a realização da ciclização via íon N-acilimínio, porém houve a desproteção do grupo protetor t-Boc. A partir do álcool II, isolou-se o azabiciclo III com 14% de rendimento (dr 57:43). Etapas biocatalíticas com lipases foram aplicadas visando a obtenção do composto III enantiomericamente puro, porém, sem sucesso. A metodologia desenvolvida para a obtenção do azanorbornano pode ser aplicada na síntese formal epibatidina (IV) ou da epiboxidina. / This project aimed the synthesis of some substituted 7-azanorbornanes (7-azabicyclo [2.2.1] heptanes). Since this class of compounds is widely studied, especially after the discovery of the potential analgesic alkaloid (-)-epibatidine (IV), the main objective was to explore the intramolecular Mannich reaction developed by Rapoport for simpler substrates. The racemic model compound II was synthesized and successfully characterized (with 9% of total yield). However, attempts to synthesize the chiral ketoester failed by two alternative routes: via glutamic / pyroglutamic and the L-proline acid. Cyclization tests (intramolecular Mannich) were undertaken and the BF3 .Et2O was identified as the most efficient Lewis acid for carrying out the cyclization via Nacyliminium ion, although the desprotection of t-Boc was observerd. From the alcohol II, the isolated azabicyclo III in 14% yield (dr 57:43). Biocatalytic steps with lipases were applied in order to obtain the compound III enantiomerically pure, but without success. The methodology developed to obtain the azanorbornanes can be applied in the formal synthesis of epibatidine (IV) or epiboxidine.

Orientador: Prof. Dr. Mauro Coelho dos Santos / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2015. / Eletrocatalisadores PtSnNi foram preparados pelo método dos precursores poliméricos (MPP) em diferentes proporções metálicas e suportados em carbono de alta área superficial, com 20% de metal em massa, para serem estudados na reação de oxidação de etanol (ROE). O material que se apresentou mais promissor para a reação de oxidação eletroquímica de etanol, PtSnNi/C na razão atômica (33:21:46), foi submetido a testes acelerados de estresse (TAE) com perda de aproximadamente 50% da corrente de oxidação em cronoamperometria. Após os TAE, foram observadas mudanças na formação de produtos de oxidação de etanol, determinados por FTIR-ATR in situ, que passaram de acetaldeído e ácido acético para somente acetaldeído. Dada esta condição, nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados com grupos carboxílicos (NTC) também foram utilizados como suporte para PtSnNi/NTC (33:21:46) com 20% de metal em suporte preparado também pelo MPP. Desta forma, os eletrocatalisadores foram estudados em termos da dissolução de seus metais por técnicas de eletrodo de disco rotatório (EDR) e microcélula eletroquímica de fluxo de varredura (CFV) utilizando-se ICP-MS. Foi observado um decréscimo de somente 4% da área superficial eletroquimicamente ativa (ASE) do PtSnNi/NTC e 3% do material comercial PtSn/C E-TEK, enquanto que para PtSnNi/C houve uma diminuição de 32% da ASE para oxidação de CO. Com a confirmação da dissolução dos metais, é sugerida uma mudança na formação de produtos da oxidação de etanol já a partir da fase inicial da ciclagem, este efeito se corrobora ao se analisar o aumento da produção de acetaldeído no eletrocatalisador PtSnNi/C por FTIRATR in situ. Adicionalmente, nos testes realizados em condições operacionais de células a combustível de etanol direto (DEFC), foi observado que PtSnNi/NTC apresentou menor decaimento de potencial durante a curva de polarização, fato que pode estar relacionado tanto a estabilidade do suporte e interação com os metais (que apresentaram menor dissolução) bem como pela seletividade na formação dos produtos, determinados por cromatografia a gás, que também se mantém constante. Onde PtSnNi/NTC apresenta seletividade de aproximadamente 60 e 40% para acetaldeído e ácido acético, respectivamente. Enquanto PtSnNi/C apresentou seletividade somente para acetaldeído. / PtSnNi electrocatalysts were prepared by polymeric precursors method (PPM) with different metallic ratios supported on carbon Vulcan® to obtain 20 % (m/m) of metal loading and studied for ethanol oxidation reaction (EOR). The more promising material for the ethanol electrochemical oxidation reaction, PtSnNi/C (33:21:46 atomic ratio), was submitted to accelerated stress tests (AST) with a loss of approximately 50% of the chronoamperometric current of oxidation. After AST, changes were observed on the formation of ethanol oxidation products, determined by FTIR-ATR in situ, from acetaldehyde and acetic acid to acetaldehyde formation, exclusively. Given this condition, multi-walled carbon nanotubes functionalized with carboxylic groups (CNT) were also used as support for PtSnNi/CNT (33:21:46) prepared by PPM with 20% of metal loading on support. Thus, the electrocatalysts were evaluated concerning the metals dissolution by rotating disk electrode (RDE) technique and microelectrochemical scanning flow cell (SFC) using ICP-MS. A decrease of only 4% of PtSnNi/CNT electrochemically active surface area (ECSA) was observed and 3% for the PTSn/C E-TEK commercial material. In contrast, the PtSnNi/C ECSA decreased 32% for CO oxidation. With the confirmation on metals dissolution, it is suggested a change in the formation of ethanol oxidation products already from the initial step of cycling, that can be corroborated with the acetaldehyde production increase on PtSnNi/C electrocatalyst by FTIR-ATR in situ analyses. Additionally, in direct ethanol fuel cells (DEFC) tests on operational conditions, it was observed that PtSnNi /CNT showed less decay of potential during polarization curve experiments, which may be related to support stability and interaction with metals (which presented lower dissolution) as well as the selectivity in the products formation for EOR, determined by gas chromatography, which also remained constant. So that PtSnNi/NTC showed selectivity of about 60 and 40% for acetaldehyde and acetic acid, respectively. While PtSnNi/C showed selectivity just for acetaldehyde.

abstract: Palladium metal in its various forms has been heavily studied for many catalytic, hydrogen storage and sensing applications and as an electrocatalyst in fuel cells. A short review on various applications of palladium and the mechanism of Pd nanoparticles synthesis will be discussed in chapter 1. Size dependent properties of various metal nanoparticles and a thermodynamic theory proposed by Plieth to predict size dependent redox properties of metal nanoparticles will also be discussed in chapter 1. To evaluate size dependent stability of metal nanoparticles using electrochemical techniques in aqueous media, a synthetic route was designed to produce water soluble Pd nanoparticles. Also, a purification technique was developed to obtain monodisperse metal nanoparticles to study size dependent stability using electrochemical methods. Chapter 2 will describe in detail the synthesis, characterization and size dependent anodic dissolution studies of water soluble palladium nanoparticles. The cost associated with using expensive metal catalysts can further decreased by using the underpotential deposition (UPD) technique, in which one metal is electrodeposited in monolayer or submonolayer form on a different metal substrate. Electrochemically, this process can be detected by the presence of a deposition peak positive to the bulk deposition potential in a cyclic voltammetry (CV) experiment. The difference between the bulk deposition potential and underpotential deposition peak (i.e. the UPD shift), which is a measure of the energetics of the monolayer deposition step, depends on the work function difference between the metal pairs. Chapter 3 will explore how metal nanoparticles of different sizes will change the energetics of the UPD phenomenon, using the UPD of Cu on palladium nanoparticles as an example. It will be shown that the UPD shift depends on the size of the nanoparticle substrate in a way that is understandable based on the Plieth model. High electrocatalytic activity of palladium towards ethanol oxidation in an alkaline medium makes it an ideal candidate for the anode electrocatalyst in direct ethanol based fuel cells (DEFCs). Chapter 4 will explore the poisoning of the catalytic activity of palladium in the presence of halide impurities, often used in synthesis of palladium nanoparticles as precursors or shape directing agents. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Chemistry 2016

Eletrocatalisadores Pt/C, Pd/C, PtAu/C, PtIr/C, PdAu/C, PdIr/C, PtAuIr/C e PdAuIr/C foram preparados via redução por borohidreto de sódio em diferentes proporções atômicas, com 20% em massa de metal e suportados em carbono Vulcan XC72 de alta área superficial. Os materiais foram caracterizados pelas técnicas de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX), análise de difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). A oxidação eletroquímica do etanol foi estudada por voltametria cíclica (VC) e cronoamperometria, utilizando a técnica do eletrodo de camada fina porosa e o estudo da oxidação eletroquímica de etanol \"in situ\" utilizando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Posteriormente os materiais foram testados em células à combustível alcalinas alimentadas diretamente com etanol. Os resultados demonstraram que houve formação de ligas, com tamanho médio de nanopartículas entre 4,0 - 10 nm. De acordo com os experimentos eletroquímicos os eletrocatalisadores ternários apresentaram maior atividade eletrocatalítica e os estudos em FTIR indicaram que o produto principal da oxidação eletroquímica de etanol em meio alcalino para todos eletrocatalisadores sintetizados foi o acetato, sugerindo que a oxidação ocorre de forma incompleta pelo mecanismo indireto. Os testes em célula mostraram os melhores resultados para PdAuIr/C (50:40:10) com o qual obteve-se potencial de circuito aberto de aproximadamente 0,78 V e densidade de potência máxima de aproximadamente 15 mW cm-2, cerca de 333% superior a Pd/C. / Pt/C, Pd/C, PtAu/C, PtIr/C, PdAu/C, PdIr/C, PtAuIr/C and PdAuIr/C electrocatalysts, were prepared by the sodium borohydride reduction process in different atomic proportions, with 20 wt.% of metal loading and supported on Vulcan XC72 carbon with high surface area. The materials were characterized by X-ray dispersive energy spectroscopy (EDX), X-ray diffraction analysis (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The ethanol electrochemical oxidation was studied by cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry and in situ using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) using the thin porous coating technique, Afterwards the materials were tested on direct ethanol alkaline fuel cells. The results suggest alloys formation, with the mean nanoparticles sizes are from 4 - 10 nm. According to the electrochemical experiments the ternary electrocatalysts presented higher electrocatalytic activity, while that the FTIR studies indicated that the main product of the electrochemical oxidation of ethanol in alkaline medium for all synthesized electrocatalysts was acetate, also suggesting that the oxidation occurs incompletely by the indirect mechanism. The fuel cell experiments showed the best results for PdAuIr/C (50:40:10), where these materials had an open circuit potential of approximately 0,78 V and maximum power density of about 15 mW cm-2, about 333% higher than Pd/C.

Para a bioeletrocatálise de oxidação de etanol, a alteração da superfície eletródica e a otimização do processo de imobilização enzimática se fazem necessárias. Neste cenário, as fibras flexíveis de carbono (FFC) merecem destaque, pois além de sua superfície ser facilmente modificada devido à presença de carbono sp2, as mesmas possuem alta resistência mecânica e elasticidade, combinadas com a alta condutividade elétrica e térmica. Nesta tese de doutorado, apresenta-se como obter bioeletrodos de FFC modificadas com a enzima álcool desidrogenase (ADH) NAD-dependente, visando também aprimorar a oxidação da coenzima NADH (dinucleotídeo de nicotinamida e adenina). Os resultados mostram que quando as FCF são previamente submetidas a um tratamento oxidativo em meio ácido (KMnO4/H2SO4), obtém-se bioeletrodos estáveis, robustos e com alta área superficial. Além disso, observou-se que esses eletrodos possuem grupos funcionais contendo oxigênio que auxiliam na bioeletrocatálise de oxidação do etanol. Presume-se que presença de grupos quinonas seja responsável por facilitar a regeneração da coenzima, ou seja, estes grupos atuam decisivamente na oxidação do NADH. A alta qualidade dos bioeletrodos possibilitou manter a atividade catalítica da ADH por longo prazo, propriedade essa crucial para o estudo da oxidação do etanol acoplada à espectrometria de massas (DEMS). Devido a este estudo, foi possível observar concomitantemente a regeneração da coenzima (NADH -> NAD+) e a geração de acetaldeído como produto de bioeletroxidação do etanol, ambos em estado estacionário. Em suma, o estudo aqui apresentado introduz uma abordagem que combina não só o desenvolvimento de fibras de carbono tratadas quimicamente para aplicação em bioeletrocatálise, mas também um foco inédito no acoplamento entre a espectrometria de massas e a bioeletroquímica para a resolução de mecanismos enzimáticos. / Regarding the bioelectrocatalysis of the ethanol oxidation, the electrodic surface modification and the optimization of enzymatic immobilization are necessary. In this scenario, the flexible carbon fibers (FCF) are noteworthy, because besides their surface can be modified in an easy way due the presence of carbon sp2, they have high mechanical resistance and elasticity, combined with high electrical and thermal conductivity. In this doctoral thesis, it is presented how to obtain bioelectrodes of FFC modified with the enzyme alcohol dehydrogenase (ADH) NAD-dependent, as well as to improve the oxidation of the coenzyme NADH (nicotinamide adenine dinucleotide). The results show that when FCF is previously submitted to an oxidative treatment in acidic medium (KMnO4/H2SO4), stable, robust and high surface area bioelectrodes are obtained. In addition, it was observed that these electrodes have oxygen-containing functional groups that improve the bioelectrocatalysis of ethanol oxidation. There is proposed that the presence of quinone groups is responsible for facilitating the regeneration of the coenzyme, i. e., these groups act decisively in the oxidation of NADH. The high quality of the bioelectrodes allowed it to maintain the catalytic activity of the ADH for long term, property crucial for the study of the oxidation of ethanol coupled to mass spectrometry (DEMS). By using DEMS, there were possible to observe coenzyme regeneration and the generation of acetaldehyde as a bioelectrooxidation product of ethanol, both at steady state, which were simultaneously observed. In summary, the present study introduces an to an approach that combines not only the development of chemically treated carbon fibers for application in bioelectrocatalysis, but also an unprecedented focus on the coupling between mass spectrometry and bioelectrochemistry for the resolution of enzymatic mechanisms.

Made available in DSpace on 2016-08-19T12:56:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Wanderson.pdf: 6558678 bytes, checksum: 6817981e9e9dda09b67fbeb466f7115a (MD5) Previous issue date: 2013-02-18 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The ethanol oxidation reaction was investigated using on line differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) on carbon-supported Pt-SnO2 electrocatalysts at atomic ratio 1:1, 2:1 and 3:1 as a function of ethanol concentration and combined analysis of the reaction products and electrochemical measurements. The materials were prepared by two methods: impregnation/thermal decomposition with and without chemical reduction via sodium borohydride. They were characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and X-ray diffraction (XRD) techniques. A comparative study showed that the second method was more efficient to synthesize of these materials, which were chosen for DEMS and electrochemistry studies. Electrochemical measurements showed better faradaic current in lower potentials, indicating better activity to ethanol oxidation on PtSnO₂/C, Pt₂SnO₂/C and Pt₃SnO₂/C catalysts compared to Pt/C E-TEK. Pt/C E-TEK presented the best ratio between the CO₂ and acetaldehyde production in 0.01 mol Lˉ¹ ethanol, showing that this electrode favors the reaction via CO₂ production. When the ethanol concentration is increased, the ratio CO₂ /acetaldehyde decreases for all catalysts studied, mainly for Pt/C E-TEK. This increasing formation of acetaldehyde was largely responsible for the profile of faradaic currents in view of the onset for the formation of acetaldehyde to coincide with the beginning of the ethanol oxidation reaction. In general, the catalysts based on Pt-SnO₂ showed better performances for the ethanol reaction compared to Pt/C E-TEK, thus confirming the ability of SnO₂ to provide oxygen species for oxidize adsorbed intermediates such as CHx and OHads, at lower potentials. / A reação de oxidação de etanol foi investigada usando a espectrometria de massas eletroquímica diferencial on line (DEMS), sobre eletrocatalisadores de Pt-SnO₂ suportados em carbono Vulcan, com razão atômica 1:1, 2:1 e 3:1 em função da concentração de etanol e análises combinadas dos produtos reacionais e medidas de corrente eletroquímica. Os materiais foram preparados por dois métodos: impregnação/decomposição térmica com e sem redução química via borohidreto de sódio. Eles foram caracterizados pelas técnicas de energia dispersiva de raios X (EDX) e difratometria de raios X (DRX). Um estudo comparativo mostrou que o segundo método foi mais eficiente na síntese desses materiais, sendo escolhido para os estudos eletroquímicos e de DEMS. As medidas eletroquímicas mostraram melhores correntes faradáicas em menores potencias, indicando melhor atividade para a oxidação de etanol sobre os catalisadores PtSnO₂/C, Pt₂SnO₂/C e Pt₃SnO₂/C comparado com Pt/C E-TEK. A Pt/C E-TEK apresentou a melhor razão entre CO₂ e acetaldeído em etanol 0,01 mol Lˉ¹, mostrando que esse eletrodo favorece a via de formação de CO₂. Quando a concentração de etanol é aumentada, a razão CO₂/acetaldeído diminui para todos os catalisadores estudados, principalmente Pt/C E-TEK. Esse aumento na formação de acetaldeído foi o grande responsável pelo perfil de corrente faradáica, tendo em vista o início da reação de formação do acetaldeído coincidir com o início da reação de oxidação de etanol. Em geral, os catalisadores à base de Pt-SnO₂ apresentaram melhor desempenho para a reação de oxidação de etanol em relação a Pt/C E-TEK, confirmando assim a capacidade do SnO₂ em fornecer espécies oxigenadas para oxidar intermediários adsorvidos tais como CHx e OHads, em potenciais mais baixos.

Sistemas de células a combustível alimentadas por etanol (DEFC - Direct Ethanol Fuel Cell) são vistos como candidatos para ajudar preencher a lacuna entre a demanda e oferta de energia elétrica. Entretanto, as DEFC ainda não apresentam desempenho tão elevado, que incentivem a comercialização. Um dos principais esforços para elevar o desempenho é obter catalisadores anódicos mais eletroativos e estáveis para reação de oxidação de etanol (ROE). Neste trabalho, visou-se obter e avaliar catalisadores Pt-Sn-Terras raras (La, Ce, Pr e Eu) para ROE. Os catalisadores foram sintetizados a partir de algumas modificações do método do poliol; caracterizados fisicamente, por técnicas de EDX, ICP, ATG, DRX, TEM, XPS e XAS; e caracterizados eletroquimicamente em células de três eletrodos e em células unitárias. O método de síntese promoveu tamanhos médios de partícula entre 3,0 a 4,5 nm para catalisadores PtSnTR/C (TR: La, Ce, Pr e Eu), um dos menores valores reportados para esse tipo de material. Por DRX, foi possível verificar que a síntese promoveu um certo grau de liga Pt-Sn. Por XPS, confirmou-se a presença de Pt e Sn metálicos, óxidos de estanho e de platina, e terras raras em forma de óxidos mistos. Por XAS, observou-se que os metais adicionados promoveram um preenchimento da banda 5d da Pt. As caracterizações eletroquímicas indicaram maior densidade de corrente na ROE para os materiais ternários PtSnTR/C 75:20:05 do que os catalisadores Pt/C, e que PtSn/C 60:40, na maioria dos casos. Os testes de envelhecimento acelerado indicaram que, mesmo com a alteração dos perfis voltamétricos, os catalisadores ternários apresentaram menores perdas na atividade que os catalisadores Pt/C e PtSn/C. Ao caracterizar os produtos da oxidação dos catalisadores por FTIR e HPLC, observou-se que os produtos majoritários foram acetaldeído e ácido acético; e apenas uma pequena formação de CO2 foi detectada . A adição de terras raras, em baixas concentrações, aumentou a atividade eletrocatalítica dos catalisadores Pt/C e PtSn/C provavelmente por disponibilizar espécies oxidadas a baixos potenciais, favorecendo a oxidação de intermediários da ROE, e contribuiu para a estabilidade dos catalisadores PtSn/C. / Direct ethanol fuel cell (DEFC) systems are seen as candidates to fill the gap between demand and supply of electric electricity. However, the DEFC\'s performance does not encourage its large commercialization yet. One of the main efforts to increase the performance is obtaining more electroactive and stable anodic catalysts for the ethanol oxidation reaction (EOR). In this work, Pt-Sn-Rare Earth catalysts (La, Ce, Pr and Eu) were obtained and evaluated for EOR. The catalysts were synthesized using polyol method with some modifications; physically characterized by XDS, ICP, TGA, XRD, TEM, XPS and XAS techniques; the electrochemical characterization involved tests on three electrodes cell and on unit cell systems. The synthesis method promoted mean particle sizes between 3.0 and 4.5 nm for PtSnRE/C catalysts (RE: La, Ce, Pr and Eu), one of the smallest values reported for this type of material. By XRD, it was observed some degree of Pt-Sn alloy. The presence of Pt and Sn metallic, tin and platinum oxides, and rare earths in the form of mixed oxides were confirmed by XPS. The added metals promoted a fill of the Pt 5d band, as observed by XAS. Electrochemical characterizations indicated higher current density in the EOR for the ternary materials than Pt/C catalysts and PtSn/C 60:40, in most of cases. The accelerated aging tests indicated that, even with voltammetric profiles changes, the ternary catalysts had lower losses in the activity than the Pt/C and PtSn/C catalysts. By FTIR and HPLC, it was observed that the main products were acetaldehyde and acetic acid; and small concentration of CO2 was detected. The low addition of rare earths increased the electrocatalytic activity of Pt/C and PtSn/C catalysts probably because they promoted more oxidized species at low potentials, favoring the intermediates oxidation of the EOR, and contributed to PtSn/C catalysts stability.

The lack of catalytic efficiency towards the complete ethanol oxidation reaction (EOR) has hindered the development of direct ethanol fuel cells (DEFCs). Ir-based catalysts have recently been shown promise in the complete EOR. However, the reaction mechanism of the complete EOR remains unclear, which impedes the development of better Ir-based catalysts. Herein, we performed extensive density functional theory (DFT) calculations to develop a comprehensive reaction network of EOR on Ir(100). The EOR process consists of four dehydrogenation steps of ethanol leading to the generation of CH2CO species followed by two competitive reaction pathways, i.e., a C-O bond cleavage to poisoning species (e.g., CHC) and the surface diffusion of CH2CO leading to CO2. Furthermore, our studies show that for all CHxCOy (x = 1, 2, or 3 and y = 0 or 1) species, only when the C and O atoms (or two C atoms) bind to two different surface Ir atoms can the C-C/C-O bond cleavage occur. This work highlights the essential roles of adsorption structure and diffusion of CH2CO for the complete EOR and serves as a benchmark for the future investigation of the electronic and solvent effects.Pt-Ir-based alloy electrocatalysts have shown encouraging catalytic performance on the EOR in direct ethanol fuel cells. Nevertheless, designing a suitably qualified EOR electrocatalyst remains challenging because of several convoluted factors (e.g., C1 species poisoning, acetate acid formation, and C-C bond splitting). To understand the relationship between the EOR performance and the type of catalysts, we model three kinds of (100)-exposed Pt-Ir layered catalysts and perform density functional theory (DFT) calculations to explore 58 elementary reactions of the EOR over three catalyst surfaces. According to the calculated activation energies and reaction energies, we mapped out the reaction mechanisms for EOR on different catalysts, indicating corresponding rate-limiting steps (RLSs) of the complete EOR. We demonstrated that the C-O coupling/decoupling ability of the catalyst surface plays a leading role in the overall EOR performance because a perfect complete EOR not only has to avoid some C-O coupling reactions (e.g., CH¬3CO+OH→CH3COOH) but also needs to promote some C-O coupling reactions (e.g., CO+O→CO2). We further illustrated that Pt and Ir exhibit excellent C-O coupling and decoupling abilities, respectively, implying that modifying the compositions and structures of Pt-Ir catalysts is a promising way to achieve the complete EOR. Furthermore, the Ir@Pt(100) surface (Ir monolayer over Pt(100) surface) with a Pt-doped active site possesses the most significant potential on EOR, which could impede the acetate acid formation and facilitate the CO2 formation simultaneously. This work highlights the role of tuning the C-O coupling/decoupling ability of electrocatalyst in EOR activity, providing a new strategy for designing and selecting the EOR electrocatalyst. The solvent effect has always been a non-negligible factor for aqueous reactions. In computational chemistry, researchers have been looking for a compromise between computational efficiency and the rationality of solvent models to mimic the solvent environment. In this work, I investigated the ethanol dehydrogenation and C-C bond cleavages of EOR over Ir(100)using both implicit and explicit solvation models. The implicit model exhibited little impact on the adsorbates without the hydroxyl group, whereas the explicit model can reasonably describe the system’s hydrogen bonding and van der Waals interaction. This solvent effect study showed how different solvent models affected the elementary reactions geometrically and energetically.