Glycerol is a very promising alternative fuel to hydrogen in fuel cells. However, the utilisation of glycerol as a fuel requires a good catalyst, due to the slow kinetics of glycerol electrooxidation. Gold has been identified as a promising catalyst due to its high activity and stability for glycerol electrooxidation – although the overpotentials are higher than on platinum and palladium. Modification of a nano-Au/C catalyst by the addition of MnO2, in an attempt to further improve the activity and lower the overpotential for glycerol oxidation, was therefore first explored. This was followed by investigations into the effects of gold particle size and loading. Finally, the effect of gold particle size on oxidation of gold-catalysed glycerol oxidation intermediates was also briefly explored. Studies into MnO2 addition showed that the pre-deposition of MnO2 yielded catalysts with smaller, more uniform gold particles, and catalysts with MnO2 contents of 5 and 9 wt % had higher mass activities and lower onset- and peak- potentials than Au/C. All the Au/xMnO2/C catalysts were more active than the palladium- and platinum-based catalysts reported in literature, which effectively demonstrated the advantage of using a gold-based catalyst for glycerol oxidation – especially when supported by MnO2 which lowered the overpotential for glycerol oxidation over gold. For the study into gold particle size, small gold particles of average diameter ≤ 4.7 nm had higher gold mass-based activities than medium-sized (14.7 nm) particles and were at least twice as active as catalysts containing large (≥ 43 nm) gold particles. The small gold particles also gave lower glycerol oxidation onset potentials, which was attributed to the predominance of Au(110) planes on those particles. Glycerol oxidation also appeared to proceed further along the oxidation pathway over small gold particles, which was confirmed in preliminary studies into the oxidation of glycerol oxidation intermediates. However, specific activity increased with increasing gold particle size, due mainly to the higher intrinsic activity of the Au(111) plane, which increased relative to Au(110) with increasing gold particle size. The important requirements for fuel cell applications are factors such as high mass activity, low overpotentials and high stability – all of which were met by the catalysts containing small gold particles defined by predominantly Au(110) facets. Investigations into the gold loading effect showed similar mass- and specific- activities for catalysts with 5-20 % gold loading. However, only the catalysts with higher gold loadings (15-20 %) did not deactivate early during CV, indicating that a larger gold surface area is necessary to resist poisoning at high potentials. On the basis of low onset potentials, high mass activity, and stability at low overpotentials, a minimum gold loading of 12.5 % appears to be necessary for a supported gold catalyst with small gold nanoparticles; although even higher loadings may be preferable for a higher power output in a fuel cell. Importantly, the insights gleaned from this study on the fundamental properties required for early activation, activity and stability of the gold catalysts could lead to a more intelligent design of gold-based catalysts in future.

Aspectos fundamentais das reações de eletrooxidação do glicerol e álcoois similares em ouro foram estudados por meio da comparação com a eletrooxidação de álcoois similares: 1-propanol, 2-propanol, propano-1,2-diol e propano-1,3-diol, além de sorbitol e glicose. Testes eletroquímicos foram feitos em soluções ácida, neutra e alcalina. Também foram realizados testes em meio alcalino com os possíveis subprodutos de oxidação do glicerol: dihidroxiacetona, gliceraldeído, glicerato, hidroxipiruvato, mesoxalato, tartronato, oxalato e formato. Por fim, os produtos de reação foram analisados por FTIR in situ e HPLC. Conforme esperado, o ouro foi praticamente inativo para todos os álcoois nos meios neutro e ácido, e muito ativo no meio alcalino. Entretanto, os dados de RDE mostraram que a formação de alcóxido não é a responsável pela atividade, como era proposto até então. Comparando a eletrooxidação do glicerol com álcoois similares, foi possível notar que a presença de hidroxilas vizinhas na molécula é a propriedade mais importante para render altas densidades de corrente (para a eletrooxidação de álcoois em geral) sobre ouro. Ela facilita a quebra das ligações C-C favorecendo a formação de produtos mais oxidados, conforme observado por FTIR e HPLC. As medidas de FTIR in situ também mostraram que pode haver neutralização e até acidificação nas proximidades do eletrodo em meio alcalino (se a concentração de base não for suficientemente alta), devido à formação de subprodutos ácidos, o que pode levar a uma mudança no mecanismo da reação. Medidas de RDE indicam que é possível controlar a seletividade dos produtos de eletrooxidação de glicerol e outros álcoois sobre ouro pela convecção artificial, entretanto, o controle pelo potencial ou concentração são limitados, conforme constatado pela análise de produtos. Os testes realizados com os subprodutos e análise de produtos permitiram refinar a rota reacional de eletrooxidação do glicerol. / Fundamental aspects of glycerol and similar alcohols electrooxidation reactions on gold were studied by comparing with similar alcohols: 1-propanol, 2-propanol, propane-1,2-diol and propane-1,3-diol, and also sorbitol and glucose. Electrochemical measurements were performed in acidic, neutral and alkaline solutions. Moreover, CV tests were performed in alkaline environment with the main possible glycerol oxidation byproducts: dihydroxyacetone, gyceraldehyde, glycerate, hydroxypyruvate, mesoxalate, tartronate, oxalate and formate. Finally, the reaction products were analyzed by in situ FTIR and HPLC. As expected, gold was practically inactive for all alcohols in acidic and neutral conditions, but highly active in alkaline medium. However, RDE data showed that the alkoxide formation is not the responsible for the high activity, as proposed until now. By comparing the glycerol electrooxidation with the other alcohols, it was possible note that the vicinal hydroxyl groups is the key property to yield the high current densities (for alcohols electrooxidation in a general way) seen on gold. It favors the C-C bonding break, that leads to more oxidized products, as seen by FTIR and HPLC data. In addition, FTIR measurements showed that neutralization and even acidification can occur near to the electrode in alkaline medium (if the base concentration is not high enough), due to the formation of acidic byproducts that can also lead to different reaction mechanism. RDE experiments indicated that it is possible to control the selectivity of glycerol and other alcohols electrooxidation products on gold by artificial convection, but control by the potential or concentration are limited, as shown by products analysis. The CV tests with byproducts and products analysis allowed to refine the glycerol electrooxidation reaction pathways.

Aspectos fundamentais das reações de eletrooxidação do glicerol e álcoois similares em ouro foram estudados por meio da comparação com a eletrooxidação de álcoois similares: 1-propanol, 2-propanol, propano-1,2-diol e propano-1,3-diol, além de sorbitol e glicose. Testes eletroquímicos foram feitos em soluções ácida, neutra e alcalina. Também foram realizados testes em meio alcalino com os possíveis subprodutos de oxidação do glicerol: dihidroxiacetona, gliceraldeído, glicerato, hidroxipiruvato, mesoxalato, tartronato, oxalato e formato. Por fim, os produtos de reação foram analisados por FTIR in situ e HPLC. Conforme esperado, o ouro foi praticamente inativo para todos os álcoois nos meios neutro e ácido, e muito ativo no meio alcalino. Entretanto, os dados de RDE mostraram que a formação de alcóxido não é a responsável pela atividade, como era proposto até então. Comparando a eletrooxidação do glicerol com álcoois similares, foi possível notar que a presença de hidroxilas vizinhas na molécula é a propriedade mais importante para render altas densidades de corrente (para a eletrooxidação de álcoois em geral) sobre ouro. Ela facilita a quebra das ligações C-C favorecendo a formação de produtos mais oxidados, conforme observado por FTIR e HPLC. As medidas de FTIR in situ também mostraram que pode haver neutralização e até acidificação nas proximidades do eletrodo em meio alcalino (se a concentração de base não for suficientemente alta), devido à formação de subprodutos ácidos, o que pode levar a uma mudança no mecanismo da reação. Medidas de RDE indicam que é possível controlar a seletividade dos produtos de eletrooxidação de glicerol e outros álcoois sobre ouro pela convecção artificial, entretanto, o controle pelo potencial ou concentração são limitados, conforme constatado pela análise de produtos. Os testes realizados com os subprodutos e análise de produtos permitiram refinar a rota reacional de eletrooxidação do glicerol. / Fundamental aspects of glycerol and similar alcohols electrooxidation reactions on gold were studied by comparing with similar alcohols: 1-propanol, 2-propanol, propane-1,2-diol and propane-1,3-diol, and also sorbitol and glucose. Electrochemical measurements were performed in acidic, neutral and alkaline solutions. Moreover, CV tests were performed in alkaline environment with the main possible glycerol oxidation byproducts: dihydroxyacetone, gyceraldehyde, glycerate, hydroxypyruvate, mesoxalate, tartronate, oxalate and formate. Finally, the reaction products were analyzed by in situ FTIR and HPLC. As expected, gold was practically inactive for all alcohols in acidic and neutral conditions, but highly active in alkaline medium. However, RDE data showed that the alkoxide formation is not the responsible for the high activity, as proposed until now. By comparing the glycerol electrooxidation with the other alcohols, it was possible note that the vicinal hydroxyl groups is the key property to yield the high current densities (for alcohols electrooxidation in a general way) seen on gold. It favors the C-C bonding break, that leads to more oxidized products, as seen by FTIR and HPLC data. In addition, FTIR measurements showed that neutralization and even acidification can occur near to the electrode in alkaline medium (if the base concentration is not high enough), due to the formation of acidic byproducts that can also lead to different reaction mechanism. RDE experiments indicated that it is possible to control the selectivity of glycerol and other alcohols electrooxidation products on gold by artificial convection, but control by the potential or concentration are limited, as shown by products analysis. The CV tests with byproducts and products analysis allowed to refine the glycerol electrooxidation reaction pathways.

Orientador: Prof. Dr. Wagner Alves Carvalho / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2017.

Neste trabalho investigou-se a oxidação de álcoois (etanol e glicerol) em meio alcalino empregando diferentes catalisadores de metais nobres suportados em carbono Vulcan preparados através da síntese de irradiação de micro-ondas, para aplicação em dispositivos de células a combustível. Neste âmbito, catalisadores suportados em carbono na razão metal:carbono de 40:60 % foram preparados com dois metais nobres: catalisadores a base de Pt(PtM/C, M=Sn, Ru e Ni); e catalisadores a base de Pd(PdM/C, M=Sn, Ru, Ni, Rh, Fe e Mn). Os resultados de EDX revelaram que todos os catalisadores apresentam composições experimentais próximas às nominais. Todos os catalisadores apresentaram características dos respectivos metais nobres; geometria cúbica de face-centrada. Catalisadores de Pd54Fe46/C, Pd71Ru29/C também apresentaram fases isoladas dos óxidos de rutênio e ferro,a fase de Pd2Sn também está presente nos catalisadores contendo Sn. Cristalitos e partículas na ordem de 2 a 7 nm foram observados. Dentre os diversos catalisadores estudados para a oxidação de etanol ([Etanol]=1,0 mol L-1 + [NaOH]=1,0 mol L-1), o catalisador Pt45Sn55/C apresentou maior atividade, formando ácido acético e acetaldeído em quantidade superiores aos demais catalisadores. Já para catalisadores a base de Pd, Pd54Fe46/C e Pd63Sn37/C apresentaram resultados eletroquímicos muito semelhantes, porém, em relação aos produtos formados durante a eletrólise, o catalisador Pd54Fe46/C formou 3 vezes mais ácido acético(4 elétrons). Para a eletro-oxidação de glicerol em meio alcalino ([Glicerol]=0,5 mol L-1 + [NaOH]=1,0 mol L-1), o catalisador Pt86Ru14/C foi o que apresentou os maiores valores de atividades catalíticas. Os principais produtos formados durante as eletrólises de glicerol foram ácido glicérico, ácido tartrônico, 1,3-dihidroxiacetona (DHA), a quantidade de produtos formados pelo catalisador Pt86Ru14/C foi, aproximadamente, três vezes superiorao catalisador Pt/C. A formação de um produto de maior valor agregado, 1,3-DHA, é interessante do ponto de vista eletrossíntético. A seguinte ordem de reatividade é observada para os catalisadores de Pd: PdRu/C >PdFe/C >PdMn/C >PdRh/C >PdSn/C. Dentre os produtos formados na oxidação de glicerol somente para os catalisadores PdRh/C e PdFe/Cidentificou-se ácido tartrônico (6 elétrons) e 1,3-DHA (2 elétrons) / In this thesis it was investigated ethanol and glycerol oxidation in alkaline medium using different noble metal catalysts supported on Vulcan carbon prepared by microwave irradiation synthesis, for application in fuel cell devices. In this context, catalysts in the ratio metal:carbon 40:60% were prepared using two noble metals: Pt-based catalysts (PtM/C, M = Sn, Ru and Ni); and Pd-based catalysts (PdM/C, M = Sn, Ru, Ni, Rh, Fe and Mn). The experimental compositions obtained by EDX were close to nominal values. All the catalysts exhibited cubic face-centered geometry characteristics of its respective noble metal. Catalysts Pd54Fe46/C and Pd71Ru29/C also presented of iron and ruthenium oxides phases, Pd2Sn phase is also observed for Pd61Sn39/C catalyst. Particles and crystallites around 2 to 7 nm were observed. Among all catalysts studied for ethanol electro-oxidation ([Ethanol]=1.0 mol L-1 + [NaOH]=1.0 mol L-1), Pt45Sn55/C catalyst was the most active, the yield of acetic acid and acetaldehyde are higher for this composition. Pd-based catalysts, Pd54Fe46/C and Pd61Sn39/C showed very similar electrochemical behavior; however, for Pd54Fe46/C catalyst the amount of acetic acid (4 electrons) formed are three times higher. Pt86Ru14/C catalyst presented the highest catalytic activities for glycerol electro-oxidation ([glycerol]=0.5 mol L-1 + [NaOH]=1.0 mol L-1). The main products formed during glycerol electrolysis were glyceric acid, tartronic acid, 1,3-dihydroxyacetone (DHA), the amount of products formed employing Pt86Ru14/C catalyst was almost three times higher than Pt/C catalyst. The formation of a product with higher added-value, 1,3-DHA, is interesting in electro-synthetic point of view. The reactivity order were observed for Pd catalysts are: PdRu/C > PdFe/C > PdMn/C > PdRh/C > PdSn/C. Tartronic acid (6 electrons) and 1,3-DHA (2 electrons) were only identified at PdRh/C and PdFe/C catalysts

Neste trabalho investigou-se a oxidação de álcoois (etanol e glicerol) em meio alcalino empregando diferentes catalisadores de metais nobres suportados em carbono Vulcan preparados através da síntese de irradiação de micro-ondas, para aplicação em dispositivos de células a combustível. Neste âmbito, catalisadores suportados em carbono na razão metal:carbono de 40:60 % foram preparados com dois metais nobres: catalisadores a base de Pt(PtM/C, M=Sn, Ru e Ni); e catalisadores a base de Pd(PdM/C, M=Sn, Ru, Ni, Rh, Fe e Mn). Os resultados de EDX revelaram que todos os catalisadores apresentam composições experimentais próximas às nominais. Todos os catalisadores apresentaram características dos respectivos metais nobres; geometria cúbica de face-centrada. Catalisadores de Pd54Fe46/C, Pd71Ru29/C também apresentaram fases isoladas dos óxidos de rutênio e ferro,a fase de Pd2Sn também está presente nos catalisadores contendo Sn. Cristalitos e partículas na ordem de 2 a 7 nm foram observados. Dentre os diversos catalisadores estudados para a oxidação de etanol ([Etanol]=1,0 mol L-1 + [NaOH]=1,0 mol L-1), o catalisador Pt45Sn55/C apresentou maior atividade, formando ácido acético e acetaldeído em quantidade superiores aos demais catalisadores. Já para catalisadores a base de Pd, Pd54Fe46/C e Pd63Sn37/C apresentaram resultados eletroquímicos muito semelhantes, porém, em relação aos produtos formados durante a eletrólise, o catalisador Pd54Fe46/C formou 3 vezes mais ácido acético(4 elétrons). Para a eletro-oxidação de glicerol em meio alcalino ([Glicerol]=0,5 mol L-1 + [NaOH]=1,0 mol L-1), o catalisador Pt86Ru14/C foi o que apresentou os maiores valores de atividades catalíticas. Os principais produtos formados durante as eletrólises de glicerol foram ácido glicérico, ácido tartrônico, 1,3-dihidroxiacetona (DHA), a quantidade de produtos formados pelo catalisador Pt86Ru14/C foi, aproximadamente, três vezes superiorao catalisador Pt/C. A formação de um produto de maior valor agregado, 1,3-DHA, é interessante do ponto de vista eletrossíntético. A seguinte ordem de reatividade é observada para os catalisadores de Pd: PdRu/C >PdFe/C >PdMn/C >PdRh/C >PdSn/C. Dentre os produtos formados na oxidação de glicerol somente para os catalisadores PdRh/C e PdFe/Cidentificou-se ácido tartrônico (6 elétrons) e 1,3-DHA (2 elétrons) / In this thesis it was investigated ethanol and glycerol oxidation in alkaline medium using different noble metal catalysts supported on Vulcan carbon prepared by microwave irradiation synthesis, for application in fuel cell devices. In this context, catalysts in the ratio metal:carbon 40:60% were prepared using two noble metals: Pt-based catalysts (PtM/C, M = Sn, Ru and Ni); and Pd-based catalysts (PdM/C, M = Sn, Ru, Ni, Rh, Fe and Mn). The experimental compositions obtained by EDX were close to nominal values. All the catalysts exhibited cubic face-centered geometry characteristics of its respective noble metal. Catalysts Pd54Fe46/C and Pd71Ru29/C also presented of iron and ruthenium oxides phases, Pd2Sn phase is also observed for Pd61Sn39/C catalyst. Particles and crystallites around 2 to 7 nm were observed. Among all catalysts studied for ethanol electro-oxidation ([Ethanol]=1.0 mol L-1 + [NaOH]=1.0 mol L-1), Pt45Sn55/C catalyst was the most active, the yield of acetic acid and acetaldehyde are higher for this composition. Pd-based catalysts, Pd54Fe46/C and Pd61Sn39/C showed very similar electrochemical behavior; however, for Pd54Fe46/C catalyst the amount of acetic acid (4 electrons) formed are three times higher. Pt86Ru14/C catalyst presented the highest catalytic activities for glycerol electro-oxidation ([glycerol]=0.5 mol L-1 + [NaOH]=1.0 mol L-1). The main products formed during glycerol electrolysis were glyceric acid, tartronic acid, 1,3-dihydroxyacetone (DHA), the amount of products formed employing Pt86Ru14/C catalyst was almost three times higher than Pt/C catalyst. The formation of a product with higher added-value, 1,3-DHA, is interesting in electro-synthetic point of view. The reactivity order were observed for Pd catalysts are: PdRu/C > PdFe/C > PdMn/C > PdRh/C > PdSn/C. Tartronic acid (6 electrons) and 1,3-DHA (2 electrons) were only identified at PdRh/C and PdFe/C catalysts