A oxidação eletrocatalítica do etanol sobre eletrodo de platina platinizada, em soluções de H2S04, várias concentrações a diferentes temperaturas, foi estudada mediante o emprego dos métodos potenciodinâmicos e de pulso de potencial. A adsorção do etanol se dá através de uma etapa de desidrogenação, seguida pela ionização de hidrogênio adsorvido. É um processo rápido e a cobertura máxima do eletrodo é alcançada em cinco minutos. O valor máximo da cobertura se dá a 0,20 V e em torno de 0,40 (EPH) a cobertura alcança um outro valor. Abaixo desses potenciais o etanol sofre uma competição com o hidrogênio pelos sítios de adsorção, e acima de 0,40 V começa a se manifestar, rapidamente o efeito da dessorção, via oxidação. O estudo da variação da velocidade de varredura na eletro-oxidação potenciodinâmica do etanoI eletrossorvido mostrou que, há um intervalo de velocidades de varredura no qual a carga relativa à oxidação permanece constante, de modo que foi possível se estudar o fenômeno em condições tais que a contribuição do transporte de massa ao processo global pode ser desprezada, facilitando a interpretação dos resultados em termos unicamente da adsorção e oxidação eletroquímicas das espécies adsorvidas. Este mesmo estudo permitiu determinar alguns parâmetros cinéticos os quais, evidenciam que a eletro-oxidação potenciodinâmica do intermediário adsorvido envolve um mecanismo onde a etapa determinante é uma reação de transferência de carga monoeletrônica. Diferentes programas de perturbação mostraram que durante a adsorção há formação de vários intermediários que, além de serem dependentes do potencial de adsorção, podem sofrer uma dessorção ou hidrogenação parcial. Estes mesmos ensaios permitiram determinar a carga de adsorção de hidrogênio na presença do orgânico e, desse modo, determinar a fração de sítios que são bloqueados pelos intermediários adsorvidos. Das relações entre as diversas cargas envolvidas foi possível estimar o número de elétrons por sítio de adsorção e o número de partículas adsorvidas por sítio. A variação da cobertura com a concentração de etanol é razoavelmente bem descrita pela isoterma logarítmica de Temkin. Entretanto, o fator de heterogeneidade apresentou valores que vão de 2,5 a 16,0, conforme o método empregado na determinação. A partir das isotermas construídas a diferentes temperaturas, foi possível fazer estimativas do calor de adsorção (15,1 kcal.mol-1 para θ = 0,1 e 12,2 kcal.mol-1 para θ = 0,7) e da energia de ativação de oxidação aparente (10,5 kcal.mol-1). A eletro-oxidação dos intermediários adsorvidos na presença e ausência de etanol em solução mostrou que o processo é complexo e possivelmente ocorre segundo dois caminhos distintos, a saber: a adsorção de espécies fracamente adsorvidas que conduzem à formação de acetaldeído e a quimissorção de espécies fortemente adsorvidas (veneno catalítico) cuja oxidação resulta em C02. / The eletrooxidation of ethanol on platinized platinum electrode in 1 N H2S04 solutions at several temperatures was studied by means of the potentiodynamic and the potential pulse methods. The adsorption of ethanol proceeds via the dehydrogenation process, followed by ionization of the adsorbed hydrogen. The electrosorption of the alcohol is a rapid process and maximum surface coverage is attained within five minutes. The limiting value of coverage is reached at a potential of 0,20 V and around 0,4 V (SHE) it reaches a constant value. At less positive potentials than 0,20 V the adsorbed ethanol coverage diminishes due to the competition with the hydrogen for the adsorption sites. At potentials higher than 0,40 V the eletrooxidation of ethanol occurs simultaneously with the adsorption process and a decreasing of the coverage is observed. The plot of the charge related to the adsorbed alcohol eletrooxidation (QE) versus the scan rate (v) exhibits a region where QE is independent of v. In that scan rate range the adsorbed alcohol layer is oxidized completely during one potencial sweep, and the interference of the alcohol readsorption during the run is negligible. Therefore, the interpretation of the experimental results can be done in a more straightforward way, when such scan rates are employed. From those experiments the kinetic parameters were determined, and evidence were obtained indicating that the potentiodynamic electrooxidation of the adsorbed species involves a mechanism with a monoelectronic charge transfer as the rate determining step. From the results of different perturbation programmes it was concluded that there are formed severaI adsorbed intermediaries. The nature of the intermediaries depends on the adsorption potential. Some of them can be desorbed or can undergo partial hydrogenation. The number of electrons per site as well the number of adsorbed particles per site were estimated. The dependence of the degree os surface coverage on the concentration of ethanol is well-described by the Temkin logarithmic isotherm. However, the values obtained for the heterogeneity factor go form 2,5 up to 16, when different methods are employed for its evaluation. Experiments performed at different temperatures allowed to estimate the heat of adsorption (15,5 kcal.mol-1 for θ =0,1, and 12,2 kcal.mol-1 for θ = 0,7), and the apparent activation energy for oxidation (10,5 kcal.mol-1). The data obtaneid for the electrooxidation of the adsorbed intermediaries in the presence and abscence of ethanol in solution suggest that the overall process is a complex one, and, possibly, two distinct pathways are followed producing: weakly adsorbed species, which ultimately, produce acetaldehyde, and strongly adsorbed species (catalytic poison), of which the oxidation produces C02.

Este trabalho foi dividido em duas seções. Na primeira parte foi avaliado o desempenho de uma célula a combustível de eletrólito polimérico com ânodos de Pt/C e/ou Pt3Nb/C alimentada com hidrogênio contaminado com CO e oxigênio no cátodo. O material Pt3Nb/C 20% metal/C foi sintetizado por impregnação dos metais em carbono. Difratogramas de raios X mostraram evidências da formação de uma estrutura Pt3Nb-NbxOy, com os dados de microscopia eletrônica indicando que mesmo após tratamento térmico a 1000 °C é possível ter uma boa distribuição do tamanho das nanopartículas. Resultados de absorção de raios X mostraram que a um preenchimento dos níveis eletrônicos na banda 5d da Pt devido principalmente a distribuição maior do tamanho das nanopartículas do material Pt3Nb/C e a presença do Nb na estrutura, e que esse efeito tem um influência marcante nas respostas eletroquímicas observadas para a reação de eletroxidação de CO. Os dados da célula a combustível em conjunto com os dados extraídos com auxílio de um espectrômetro de massas mostraram definitivamente que o material Pt3Nb/C apresenta um desempenho muito superior a Pt/C em termos de tolerância ao CO presente no H2 usado como combustível. Na segunda parte do trabalho foram sintetizados usando-se o método de redução de íons em solução com ácido fórmico, dois materiais com nanopartículas de Pt suportadas em Nb2O5/C. Os materiais sintetizados foram avaliados em relação ao desempenho e estabilidade no cátodo de uma célula a combustível de eletrólito polimérico, com ânodos de Pt/C e cátodos com Pt/C e/ou Pt-Nb2O5-C, e alimentada com hidrogênio e oxigênio. De acordo com os dados de Absorção de Raios X, devido a presença do óxido ocorre a retirada de densidade eletrônica da banda 5d da Pt levando a um pequeno aumento da absorção verificado para os materiais sintetizados em relação ao material comercial. As imagens de Microscopia Eletrônica de Transmissão, mostram que o desempenho da célula diminui com o tempo de uso, principalmente devido a aglomeração das nanopartículas e corrosão do suporte de carbono. Em termos de estabilidade, a menor perda de área ativa verificada nos materiais suportados em Nb2O5/C aparentemente é o fator responsável pelo melhor desempenho desses materiais no cátodo em relação a reação de redução de oxigênio principalmente em longos períodos de operação da célula. / This work was divided into two parts. In the first part, the performance of a fuel cell with Nafion 115 as the polymer electrolyte was evaluated. The anodes were composed of Pt/C and/or Pt3Nb/C, which were fed with H2 containning 100 ppm of CO, while the cathode (Pt/C) was fed with O2. For the Pt3Nb/C (20 % metal/C) synthesis, the metals were impregnated on carbon, followed by heat treatment in a reducing atmosphere. X-Ray Diffraction results showed evidence of a Pt3Nb-NbxOy structure. The Transmission Electron Microscopy data indicated that even after heat-treating the material at 1000°C, it is possible to obtain a good nanoparticle size distribution. X-Ray Absorption results for Pt3Nb/C showed that electronic levels in the Pt 5d band are filled, mainly because of the better size distribution of the nanoparticles in this material, and because of the Nb presence in the structure. The later has a significant influence on the electrochemical responses observed for the CO electrooxidation reaction. The data obtained from the fuel cell coupled to a mass spectrometer definitely showed that Pt3Nb/C is much more Co-tolerant than Pt/C. In the second part, two materials composed of Pt supported on Nb2O5/C were synthesized by reducing ions with formic acid. The performance and stability of these materials as cathodes of a fuel cell were evaluated. In this case, the fuel cell with Nafion 115 as the polymer electrolyte was fed with H2/O2. Its anode was composed of Pt/C, and cathodes of Pt/C and/or Pt-Nb2O5-C. The X-Ray Absorption data reveled a decrease in the electronic density of the Pt 5d band, due to the presence of oxide, leading to a small increase of the absorption observed for the synthesized materials when compared to the commercial Pt/C. Transmission Electron Microscopy images showed nanoparticles agglomeration and corrosion of the carbon support in the cathode, decreasing the performance of the fuel cell over time. In terms of the stability, the better performance of the materials supported on Nb2O5/C in relation to the oxygen reduction reaction, over long periods of the fuel cell operation, is due to a small loss of the active areas of these materials.

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

Etanol é um combustível químico promissor como uma fonte de geração de energia in situ para a aplicação em células a combustível de baixa temperatura (25 °C). Entretanto, o desenvolvimento das células a combustível utilizando etanol no ânodo têm sido prejudicado devido à baixa eficiência na oxidação eletroquímica do etanol para dióxido de carbono. Com isso, esta tese tem como objetivo sintetizar novos eletrocatalisadores nanoestruturados e investigar a sua atividade catalítica para a eletro-oxidação do etanol; além de avançar no conhecimento do mecanismo reacional envolvido. Para o estudo em eletrólito ácido, os eletrocatalisadores foram formados por nanoestruturas do tipo casca-núcleo, core-shell, constituída de uma casca de Pt sobre núcleos de Rh, Cu e Ni, e de nanoestruturas de Pt com núcleo oco, hollow. Para o eletrólito alcalino, os catalisadores foram formados por eletrodos policristalinos de Pt, Pd e Rh. Os produtos reacionais formados durante a eletro-oxidação do etanol nos diferentes eletrocatalisadores foram monitorados por medidas de espectrometria de massas on-line, Differential Electrochemical Mass Spectrometry - DEMS. Os resultados de DEMS on-line revelaram que o catalisador constituído de uma nanoestrutura de Pt depositada sobre um núcleo de Rh/C, com recobrimento em torno de 70 %, apresentou uma maior eficiência de conversão eletroquímica do etanol para CO2 quando comparado com o eletrocatalisador de Pt/C. Neste caso, os átomos de Rh expostos atuaram como sítios atívos para a adsorção dissociativa do etanol. Por outro lado, o eletrocatalisador constituído de uma casca de Pt e uma estrutura oca no núcleo mostaram maiores taxas reacionais globais de oxidação do etanol quando comparado com o eletrocatalisador de Pt/C, o que foi atribuído à menor força de adsorção do etanol e dos intermediários formados sobre a superfície metálica. Isso é devido ao menor valor de energia (εd) do centro da banda d da Pt, que é causado pela contração da rede cristalina da Pt, devido à formação de uma nanoestrutura oca no núcleo (Efeito geométrico), e pela interação eletrônica dos átomos de Pt superficiais com átomos de Ni remanescentes nas camadas mais internas da nanopartícula (Efeito ligane). Os resultados em eletrólito alcalino mostraram que o eletrocatalisador de Pt apresenta a maior taxa reacional global de oxidação do etanol quando comparado com os eletrodos policristalinos de Pd e Rh. Os experimentos de DEMS on-line, por outro lado, mostraram que o Rh apresenta uma maior eficiência de conversão eletroquímica do etanol para CO2 e o Pd catalisa a reação, preferencialmente, pela via de formação de ácido acético. Além disso, o eletrodo policristalino de Pd revelou que a produção de CO2 ocorreu predominantemente por uma via divergente à observada para os eletrodos de Pt e Rh. Contudo, o entendimento do mecanismo de reação envovido e das propriedades eletrocatalíticas podem propulsionar, futuramente, a comercialização generalizada das células a combustível de etanol direto. / Ethanol is a promissing chemical fuel as an in situ source of energy generation for low-temperature fuel cells application (25 °C). However, due to the dominance of the paralell reaction pathway, the development of direct ethanol fuel cells (DEFC) has been impeded by the low activity of existing electrocatalysts for oxidizing ethanol to CO2. Based on this, the thesis aims to synthesize novel nanostructured electrocatalysts for ethanol electro-oxidation, besides deeper understanding of the reaction mechanism which takes place. The ethanol electro-oxidation reaction (EOR) was studied in acid electrolyte on carbon-supported core-shell electrocatalysts, consisting of Pt shell on Rh, Cu and Ni cores or on hollow-core nanostructure. On the other hand, in alkaline electrolyte, the reaction was investigated on electrodeposited polycristallines Pt, Pd, Rh electrodes. The reaction products during EOR on differents electrocatalysts were monitored by means of on-line DEMS (Differential Electrochemical Mass Spectrometry) measurements. By on-line DEMS measurements, the Pt1.0/Rh/C electrocatalysts revealed the highest efficiency for oxidizing ethanol to CO2 in acid electrolyte, which was ascribed to its faster and more extensive ethanol deprotonation on the Pt-Rh sites, producing adsorbed intermediates in which the C-C bond cleavage is facilitated. On the other hand, potentiodynamic and potentiostatic curves showed the higher overall reaction rate for ethanol oxidation on Pt hollow nanostructure than that observed for Pt1.0/Rh/C and commercial Pt/C electrocatalysts, which might be attributed to the weaker adsorption strength of ethanol and intermediate species, such as CO and CHx. This improvement is achieved by the hollow-induced lattice contraction (Geometric effect) and the presence of Ni atoms located at the underneath Pt shell (Electronic effect). Both of these structural features may result in a decrease of the Pt 5d-band center - a great way for enhancing both the catalysts\' activity and Pt mass activity for ethanol oxidation in acid fuel cells. In the case of ethanol electro-oxidation in alkaline electrolyte, the results showed that the highest overall reaction rate occurred on Pt electrocatalyst when compared with polycrystalline Pd and Rh electrodes. On-line DEMS experiments revealed that the polycrystalline Rh electrode exhibited greater efficiency for oxidizing ethanol to CO2, but Pd showed higher amounts of acetic acid (ethylacetate). Furthermore, in the case of Pt and Rh electrocatalysts, the CO2 formation proceeded via the COad and CHx,ad species oxidation, however, on Pd electrode, the reaction occured via a divergent pathway. Therefore, a deeper understanding for both catalysts\' activity and reaction mechanism seems to be a promising way for resolving the major obstacles to the widespread commercialization of low-temperature fuel cells.

O trabalho apresentado nesta tese é direcionado à preparação e caracterização de compostos aqua e diaquacomplexos polipiridínicos de rutênio(II). A partir da síntese do ligante tripiridina substituida (totpy) e dois ligantes bipiridínicos substituídos (Meo-bipy e NO2-bipy), obtiveram dois grupos de complexos, diferenciando-se em relação ao ligante bidentado fosfina: nonoaqua complexo [Ru(L)(totpy)(OH2)](PF6)2 e Ru(L)2(totpy)(OH2)](PF6)2 [totpy = 4\'-(4-toluil)-2,2\':6\',2\"-tripiridina, L = ligantes fosfínicos] (1) e diaqua complexo [Ru(L)(x-bipy)(OH2)2](PF6)2 (x-bipy = 4,4-dimetoxi-2,2-bipiridina e 4,4-dinitro-2,2-bipiridina, L = ligante bidentado) (2). As caracterizações dos compostos foram realizadas por microanálise, técnicas eletroquímicas (voltametria cíclica e pulso diferencial), EPR, RMN 31P e espectroscopia do u.v. visível. Em eletrocatálise homogênea foi estudado o comportamento eletroquímico dos complexos realizados em diferentes pHs, e suas habilidades como possíveis catalisadores foram testadas em experimentos de eletrooxidações de substratos orgânicos com diferentes funções (álcoois, aromáticos e alifáticos, alquilaromáticos, olefinas e éteres). Nos estudos de eletrocatálise heterogênea foi realizada a imobilização dos complexos em superfícies de eletrodos para a obtenção de eletrodos modificados através de eletrodos de pasta de carbono e eletrodos de carbono vítreo modificados com o monômero [4-(1H-pirrol-1-il)ácido benzóico]; e os testes de reatividade dos eletrodos foram realizados com alguns substratos utilizados em eletrocatálise homogênea. Nossos resultados mostraram que o sistema eletrocatalítico baseado na geração eletroquímica do [Ru(P-P)(totpy)(O)]2+ e [Ru(P-P)(bpy)(O2)]2+ são potencialmente capaz de procedimentos gerais e seletivos para a oxidação de uma série de moléculas orgânicas. A habilidade dos complexos de rutênio para atuar como catalisadores, apresentam dois fatores chave: (a) reatividade característica, através da acessibilidade múltipla de transferência de prótons e elétrons; (b) estabilidade coordenativa nos vários estados de oxidação. As reações de transferência de hidrogênio (reações de reduções) utilizando os aqua/diaqua complexos e seus precursores foram investigadas sob condições similares às descritas em literatura; usando como doador de hidrogênio o isopropanol. Altos valores de conversão de acetofena em 1-feniletanol e carvona em carveol, foram obtidos por alguns sistemas, entretanto, observa-se que existem diferenças acentuadas nos tempos de reações. Os rendimentos elevados (exceção aos compostos com ligantes NO2-bipy) comprovam que o uso de ligantes mistos fósforo-nitrogênio leva também a um aumento da atividade catalítica, e que possivelmente os outros ligantes coordenados ao complexo não interferem na atividade catalítica de modo significante. / In this work polypyridyl aquacomplexes of ruthenium(II) were synthesized and applied in electrooxidations or electrocatalytic oxidations of organic compounds and reduction reactions of ketones. Monoaquacomplexes of ruthenium [Ru(P-P)(totpy)(OH2)](PF6)2, [Ru(PP) 2(totpy)(OH2)](PF6)2 [totpy = 4\'-(4-tolyl)-2,2\':6\',2\"-terpyridine, P-P = phosphine ligand] and diaquacomplexes of ruthenium [Ru(P-P)(x-bipy)(OH2)2](PF6)2 (x-bipy = 4,4-dimethoxy-2,2- bipyridine; 4,4-dinitro-2,2-bipyridine; P-P = phosphine ligand) were synthesized. The complexes were characterized by voltammetric and spectroscopic methods and microanalysis. The complexes were used in electrooxidations of organic compounds with different functional groups. Benzyl alcohol was oxidized to benzaldehyde, cyclohexene to 2- cyclohexen-1-one, 1-pentanol to 1-pentanal, cyclohexanol to cyclohexanone, 1,2-butanediol to 1-hidroxi-2-butanone and 1,4-butanediol to -butyrolactone. Selectivity and good yields were obtained in the electrooxidations. Modified electrodes were obtained by incorporating the complexes to carbon paste electrode, and to poly-[4-(1H-pyrrol-1-yl)benzoic acid] which were deposited by anodic electropolimerization on glassy carbon electrode. Some complexes were used as catalysts in hydrogenation reactions of ketones, very good results were obtained in the conversion of acetophenone to 1-phenylethanol, and of carvone to carveol.

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

Este trabalho descreve um estudo da reação de oxidação eletroquímica de uma monocamada de monóxido de carbono (CO) adsorvido (Stripping de CO) sobre materiais eletrocatalíticos não suportados bem como a influência do suporte nas propriedades estruturais e eletroquímicas dos eletrocatalisadores suportados. Os eletrocatalisadores estudados foram platina (Pt) não suportada bem como Pt suportada em carbono Vulcan (Pt/C) e em óxidos de rutênio (Pt/RuO2) e estanho (Pt/SnO2). Os materiais foram caracterizados por Difratometria de Raios X (DRX), Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios X (EDX), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) e Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS). Os resultados encontrados para duas amostras de Pt não suportada mostraram que os materiais são compostos de aglomerados de nanopartículas de Pt com cerca de 10 nm e revelam múltiplos picos de oxidação de CO em meio de ácido perclórico 0,1 mol L-1, tanto em condições potenciodinâmicas quanto potenciostáticas. Foi demonstrado que o stripping de CO potenciodinâmico pode fornecer evidências acerca do tamanho de partícula e que partículas maiores apresentam os menores sobrepotenciais para a reação em questão. A partir de experimentos de oxidação de CO sob condições potenciostáticas e com o auxílio de um modelo para a reação, foram encontrados os valores das constantes de velocidade para cada processo, cujo comportamento em função do potencial revelou diferenças entre os dois materiais estudados, o que também sugere mudanças no mecanismo da reação ou na isoterma de adsorção das espécies envolvidas. No caso dos eletrocatalisadores suportados Pt/C, Pt/RuO2 e Pt/SnO2, o suporte pode influenciar nas propriedades estruturais e eletrônicas, como evidenciado pelos experimentos de XAS, como também se apresentar como um co-catalisador para a reação de oxidação de CO, como encontrado para os materiais Pt/RuO2 e Pt/SnO2, visto que apresentaram menores sobrepotenciais para a oxidação de CO se comparados com Pt/C. Tal fato pode ser comprovado também por meio dos estudos nos quais Pt não suportada foi posteriormente ancorada nos diferentes suportes estudados, onde se destacou o material Pt + RuO2, que apresentou o menor sobrepotencial para a reação. De maneira comparativa, foi estudada a reação de oxidação de etanol sobre os catalisadores suportados e os resultados mostraram que os óxidos de rutênio e estanho aumentam as densidades de correntes amostradas a partir de saltos potenciostáticos. / This work describes a study of carbon monoxide monolayer electrochemical oxidation (CO stripping) on unsupported electrocatalysts as well as the influence of the support on the structural and electrochemical properties of the supported electrocatalysts. The materials studied comprised unsupported platinum (Pt) nanoparticles, Pt nanoparticles supported on high surface area carbon (Pt/C), and Pt nanoparticles supported on ruthenium oxide (Pt/RuO2) and on tin oxide (Pt/SnO2). All materials were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX), Transmission Electron microscopy (TEM), and X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS). The results for two samples of unsupported Pt nanoparticles revealed the materials are formed by agglomerates of Pt nanoparticles of about 10 nm with slight differences between the samples, and the CO stripping electrochemical oxidation in 0.1 mol L-1 HClO4 showed multiple oxidation peaks in both potentiodynamic and potentiostatic conditions. It was demonstrated that potentiodynamic CO stripping can give evidences about the particle size, in which larger particles present smaller overpotentials for the reaction. From potentiostatic CO electro-oxidation, aided by a mathematical model of the reaction, it was found the reaction rate constant for each process and its behavior as a function of the potential revealed differences between the two samples, also suggesting differences in the mechanism of the reaction or in the adsorption isotherm for the involved species. In the case of the supported electrocatalysts Pt/C, Pt/SnO2, and Pt/RuO2, the support seems to influence in the structural and electronic properties, as probed by XAS experiments, as well as to participate as a co-catalyst in the CO oxidation, as in the case of Pt/SnO2 and Pt/RuO2, once they presented lower overpotentials for CO oxidation if compared to Pt/C. This fact was also confirmed by studies using mixtures of unsupported Pt nanoparticles and the different supports described, in which the system Pt + RuO2 presented the lowest overpotential for the reaction. From a comparative point of view, ethanol electrochemical oxidation was also investigated on the different prepared materials and the results showed that RuO2 and SnO2 as the catalyst supports increase the current density at a given potential in the potential step experiments.

Vias reacionais paralelas são possíveis durante a eletro-oxidação de etanol sobre nanopartículas metálicas não suportadas (platina e platina-ródio). Neste trabalho são relatadas a influência da natureza do eletrólito suporte HClO4 (0,1 mol L-1) e H2SO4 (0,5 mol L-1) na eletro-oxidação de 0,01 mol L-1 de etanol e o efeito da concentração do etanol (0,01 a 1,0 mol L-1) na seletividade do caminho da reação em 0,1 mol L-1 HClO4. Ademais, se identificou os adsorbatos formados e relatou a influência do segundo metal nos materiais à base de platina para a eletro-oxidação do etanol. Para elucidar o comportamento reacional, utilizou-se da técnica espectroscópica FTIR in situ, associada aos estudos eletroquímicos de voltametria cíclica e cronoamperometria. Os resultados mostraram que há maior atividade eletrocatalítica na oxidação do etanol em ácido perclórico do que para o ácido sulfúrico. Isto é devido a forte adsorção de (bi) sulfato em domínios (111) inibindo a adsorção dissociativa do etanol sobre a Pt. Por meio de FTR in situ se observa o início de COads (COL 2040 cm-1) em 0,05 V em HClO4 e apenas em 0,4 V para o H2SO4. Os produtos formados na eletro-oxidação do etanol, mostraram forte dependência com a concentração. Em concentrações baixas de etanol (0,01 a 0,05 mol L-1) a oxidação ocorre via formação de CO2. Entretanto, em elevadas concentrações de etanol (0,1 a 1,0 mol L-1) tem-se, além da formação de CO2, a formação de ácido acético e acetaldeído. Em regime potenciostático, 0,48 V, a densidade de corrente máxima foi para a concentração de 0,5 mol L-1 de etanol, formando majoritariamente ácido acético e acetaldeído. A presença de ródio nos materiais a base de platina favoreceu a quebra da ligação C-C em relação ao material com platina pura. Porém, neste caso de concentrações baixas de etanol (0,05 mol L-1), observou por FTIR in situ que além da oxidação do etanol via CO2, há as vias de formação de ácido acético e acetaldeído. / Parallel reaction pathways are possible during ethanol electro-oxidation on unsupported metal nanoparticles (Pt and PtRh). In the present work, the effect of the base electrolyte, namely HClO4 (0.1 mol L-1) and H2SO4 (0.5 mol L-1), on the 0.01 mol L-1 ethanol oxidation is reported. We had also investigated the effects of the ethanol concentration on the reaction pathways between 0.01 and 1.0 mol L-1. Electrochemical studies and in situ FTIR revealed that Pt presented lower catalytic activity for the ethanol oxidation in H2SO4 than in HClO4, for 0.01 mol L-1 ethanol. This observation indicates that strong adsorption of sulfate on (111) domains inhibits the dissociative adsorption of ethanol. In situ FTIR measurements showed the onset of a COads (COL 2040 cm-1) band at 0.05 V in perchloric acid, while this band appears only at 0.4 V in sulfuric media. The products formation showed a strong dependence on the ethanol concentration. FTIR spectra revealed the major product of the oxidation in low ethanol concentrations (0.01 to 0.05 mol L-1) was CO2. However, in high ethanol concentration (0.1 to 1.0 mol L-1) the products were CO2, acetic acid and acetaldehyde. Chronoamperometric curves at 0.48 V revealed maximum activity in ethanol concentration of 0.5 mol L-1, where acetic acid and acetaldehyde were the major products. The presence of rhodium in platinum based materials favors the dissociation of the C-C bond. However, in this case, it was observed by FTIR spectra the formation of acetic acid and acetaldehyde, as long as CO2, in lower ethanol concentration (0.05 mol L-1).

Este trabalho teve como objetivo a combinação de ânodos e eletrólitos otimizados, para a formação de células a combustível de etanol direto (DEFC), operantes em elevadas temperaturas (130 ºC). Como materiais de ânodo, foram produzidos eletrocatalisadores baseados em PtSn/C, com diversas razões atômicas Pt:Sn, preparados pelo método do poliol modificado, essa metodologia possibilita a produção de eletrocatalisadores auto-organizados com estreita distribuição de tamanhos de partículas e elevado grau de liga. Os eletrocatalisadores foram caracterizados por DRX e stripping de CO. Os resultados mostraram que esses materiais apresentaram elevado grau de liga e Eonset de oxidação de CO em potenciais menores do que os materiais comerciais. Como eletrólito, foram sintetizados híbridos Nafion-SiO2 com a incorporação do óxido diretamente nos agregados iônicos de diversos tipos de membranas Nafion. Os parâmetros de síntese, tais como o solvente em meio solgel, a espessura da membrana, e a concentração do precursor de sílica foram avaliados em termos do percentual de sílica incorporada e da estabilidade mecânica do híbrido. Por fim, ânodos e eletrólitos otimizados foram avaliados em DEFCs nas temperaturas de 80 e 130 ºC. Os resultados mostraram um significativo incremento no desempenho de polarização (122 mW cm-2), resultado da aceleração na taxa de oxidação de etanol devido ao material de ânodo otimizado e do aumento de temperatura de operação, uma vez que o uso de eletrólitos híbridos possibilita o aumento da temperatura sem perdas de condutividade. Nesse sentido, a combinação de eletrodos e eletrólitos otimizados é uma alternativa promissora para o desenvolvimento de tais dispositivos. / This work has as objective to evaluate anodes and electrolytes in direct ethanol fuel cells (DEFC) operating at high temperature (130 ºC). As anode materials, electrocatalysts based on PtSn/C were prepared by Modified Polyol Method with various Pt:Sn atomic ratios. Such methodology promotes selforganized electrocatalysts production with narrow particle size distribution and high alloying degree. The eletrocatalysts were characterized by XRD, and CO stripping. The results showed that these materials presented high alloying degree and Eonset CO oxidation at lower potential as commercial materials. As electrolyte, Nafion-SiO2 hybrids were synthesized by sol-gel reaction, by the incorporation of oxide directly into the ionic aggregates of various kinds of Nafion membranes. The synthesis parameter, such sol-gel solvent, membrane thickness and silicon precursor concentration were studied in terms of silica incorporation degree and hybrid mechanical stability. Finally, the optimized anodes and electrolytes were evaluated in DEFC operating at 80 130 ºC temperature range. The results showed a significant improvement of the DEFC performance (122 mW cm-2), resulted from the acceleration of ethanol oxidation reaction rate due to anode material optimization and high temperature operation once the use of hybrids possibilities the increase of temperature without a significant conductivity loses. In this sense, the combination of optimized electrodes and electrolytes are a promising alternative for the development of these devices.

Metalopolimeros são considerados excelentes materiais para a construção de eletrodos modificados quimicamente devido ao fato de apresentar propriedades essenciais, como por exemplo, uma alta atividade eletrocatalítica, eletroluminescia, aplicações na área da eletroquímica e eletroanalítica em atividades de eletrocatálise, quimioresistores, fotoeltrocatálise e desenvolvimento de sensores, respectivamente. Alguns complexos de metais de transição contendo Bases de Schiff como ligantes exibem propriedades eletrônicas não convencionais, que têm sido extensivamente estudadas para a aplicação no desenvolvimento de modelos sintéticos aos compostos biológicos como as metaloproteínas e metaloenzimas. O intuito principal desta tese foi o estudo da síntese, otimização e aplicação do nano-metalopolimero à base de poli[Ni(Salpn)] como plataforma sensorial eletroquímica, visando a obtenção de melhoras significativas em determinadas propriedades estruturais, catalíticas, dentre outras. Essas propriedades dependem, não somente do comportamento molecular, mas também, dos efeitos dos possíveis rearranjos estruturais devido às interações intermoleculares. Desta forma, foi construído e estudado o desempenho eletroquímico de uma plataforma sensorial à base de eletrodos constituídos com filmes poliméricos, sendo possível a avaliação de suas aplicações na determinação de substâncias com importância analítica nas áreas clínica, farmacêutica e ambiental. No âmbito que tange a síntese e caracterização do complexo Ni(Salpn), foi possível confirmar por meio de técnicas de caracterização de materiais a eficiência do métodos utilizados. Analogamente, a eletropolimerização foi realizada com sucesso, obtendo nano-filmes com espessura aproximada 110 nm com ótima atividade eletroquímica. A avaliação na aplicação do nano-metalopolímero poli[Ni(Salpn)] apresentou uma excelente resposta frente ao H2O2, possuindo uma rápida resposta, um intervalo linear de 49,9 a 1480 μmol L-1, com limite de detecção de 7,68 μmol L-1 e sensibilidade de 24,05 μÅ mmol-1, viabilizando assim a construção de uma plataforma sensorial viável, rápida, precisa e exata, com a finalidade de resolução de problemas analíticos. / Metalopolymers are considered to be excellent materials for the construction of chemically modified electrodes due to the fact that they present essential properties, such as high electrocatalytic activity, electroluminescence, electrochemical and electroanalytical applications in electrocatalysis, chemoresistors, photoeltrocatalysis and sensor development, respectively. Some transition metal complexes containing Schiff Bases as binders exhibit unconventional electronic properties which have been extensively studied for application in the development of synthetic models for biological compounds such as metalloproteins and metalloenzymes. The most aim of this thesis was to study the synthesis, optimization and application of nano-metallopolymer based on poly [Ni(Salpn)] as an electochemical sensorial platform, aiming at obtaining significant improvements in certain structural, catalytic properties, among others. These properties depend not only on molecular behavior but also on the effects of possible structural rearrangements due to intermolecular interactions. In this way, the electrochemical performance of a sensorial platform based on electrodes made with polymer films was constructed and studied, being possible the evaluation of its applications in the determination of substances with analytical importance in the clinical, pharmaceutical and environmental areas. In terms of the synthesis and characterization of the Ni(Salpn) complex, it was possible to confirm by means of techniques of material characterization the efficiency of the methods used. Analogously, the electropolymerization was performed successfully, obtaining nano-films with a thickness of approximately 110 nm with excellent electrochemical activity. The evaluation in the application of the poly[Ni(Salpn)] nano-metallopolymer showed an excellent response against H2O2, having a fast response, a linear range of 4.99 x 10-5 to 1.48 x 10-3 mol L-1, with detection limit of 7.68 x 10-6 mol L-1 and sensitivity of 24,05 μmol mmol-1, thus making possible the construction of a viable, fast, precise and accurate sensorial platform for the purpose of resolution of analytical problems.