Vários trabalhos na literatura reportam a utilização de catalisadores à base de compostos macrocíclicos metálicos no estudo da reação de redução do oxigênio (RRO). Esta reação possui mecanismos complexos que ainda não foram totalmente compreendidos, sendo que os principais produtos gerados são água e peróxido de hidrogênio. A maior parte dos artigos encontrados na literatura estudam estes catalisadores com intuito de se ter como produto único ou majoritário a água, principalmente para aplicações em células a combustível. Porém, este trabalho tem como objetivo principal identificar catalisadores a base de compostos macrocíclicos metálicos, mais em específico ftalocianinas metálicas, que promovam uma geração majoritária de peróxido de hidrogênio. Em trabalhos futuros, os melhores catalisadores encontrados servirão como modificadores em eletrodos de difusão gasosa (EDG) na aplicação em sistemas de degradação de compostos orgânicos através dos processos oxidativos avançados (POA). <br/>Neste trabalho foram avaliados catalisadores contendo vários teores de ftalocianinas de manganês, ferro, cobre e cobalto incorporadas, separadamente, em uma matriz condutora de carbono Printex 6L. Para isto, foram realizadas medidas de fluorescência de raios X (XRF), medidas eletroquímicas de voltametria cíclica e linear utilizando um eletrodo disco/anel rotatório (RRDE) e medidas utilizando a técnica de microscopia eletroquímica de varredura (SECM). Os resultados de XRF obtidos indicaram que o método de incorporação das ftalocianinas metálicas foi eficaz. Os resultados da avaliação do direcionamento da RRO a partir das medidas de voltametria linear, cálculos de eficiência de corrente de H2O2, número total de elétrons trocados e gráfico de Koutecký-Levich indicaram que os catalisadores contendo ftalocianina de cobalto mostram-se promissores para a eletrogeração em grandes quantidades de H2O2, para posteriores aplicações em POA. <br/>Os resultados de SECM evidenciaram o efeito catalítico observado para o catalisador contendo 10 % de ftalocianina de cobalto, bem como revelou que a superfície do catalisador obtida indica uma distribuição não uniforme do modificador sobre a matriz Printex 6L; porém, outras medidas são necessárias para uma melhor compreensão deste fenômeno. / Several papers in the literature report the use of catalysts based on metallic macrocyclic compounds in the study of the oxygen reduction reaction (ORR). This reaction has complex mechanisms that are not yet fully understood, whereas the main products generated are water and hydrogen peroxide. Most articles in literature study these catalysts in order to have water as the major or sole product, particularly for applications in fuel cells. However, this study aims to identify catalysts containing metallic macrocyclic compounds, metallic phthalocyanines more specifically, to promote majority generation of hydrogen peroxide. In future studies, the best catalysts will serve as modifiers in gas diffusion electrodes (GDE) for application of organic compounds degradation systems, via the advanced oxidation processes (AOP). <br/>This study evaluated various contents of catalysts containing manganese, iron, copper and cobalt phthalocyanine incorporated separately into a Printex 6L carbon matrix. It was performed measurements of X-ray fluorescence (XRF), electrochemical experiments of cyclic and linear voltammetry using rotating ring/disk electrode (RRDE) and measurements using the technique of scanning electrochemical microscopy (SECM). XRF results indicated that the incorporation method of metal phthalocyanines was effective. Results of the evaluation of the ORR pathway obtained from linear voltammetry measurements, calculations of current efficiency of H2O2, total number of electrons exchanged and Koutecký-Levich plots indicated that the catalysts containing cobalt phthalocyanine proved to be promising to H2O2 electrogeneration in large quantities for further applications in AOP. <br/>The SECM results evidenced the catalytic effect observed for the catalyst containing 10% cobalt phthalocyanine and revealed its surface indicates a non-uniform distribution of the modifier on matrix Printex 6L. But other measures are necessary for a better understanding of this phenomenon.

Orientador: Mauro Coelho dos Santos / Tese (Doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa e curso de pós graduação em Ciência e Tecnologia / Química.

A industrialização das células a combustível de eletrólito polimérico sólido ainda é um desafio, devido principalmente aos elevados preços dos catalisadores, da membrana, cinética lenta da reação de redução do oxigênio e estabilidade da célula. Neste trabalho a eficiência e a estabilidade de catalisadores nanoparticulados bimetálicos de Pt-Cr suportados em carbono de elevada área superficial foram estudadas para serem utilizados como cátodos em células a combustível de eletrólito polimérico sólido. A caracterização física destes materiais foi realizada através de técnicas como difração de raios-X (DRX), energia dispersiva de raios-X (EDX), absorção de raios-X (XAS), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Para os estudos eletroquímicos dos catalisadores foram realizados levantamentos das curvas de polarização na célula unitária utilizando a membrana de Nafion®115, alimentadas com H2 no ânodo e O2/ar no cátodo em diferentes temperaturas e pressões, também foi utilizado a voltametria cíclica e stripping CO para a determinação da área ativa dos catalisadores e finalmente foram realizados os estudos de estabilidade simulando uma degradação acelerada mediante ciclos voltamétricos. Os resultados das curvas de polarização dos catalisadores comercial e preparados pelo método de poliol indicaram que com o aumento da quantidade de cromo obtem-se um decréscimo do desempenho. O catalisador Pt3Cr preparado pelo método de impregnação apresentou o pior desempenho. Os catalisadores Pt3Cr comercial e preparado pelo método do poliol possuem tamanhos de partícula muito próximos e diferentes quantidades de Cr na forma de liga, sendo que cromo no catalisador sintetizado pelo método de poliol apresenta-se na forma oxidada. Os resultados da degradação acelerada para estes catalisadores mostraram que o catalisador sintetizado pelo método de poliol apresentou melhor desempenho e estabilidade. / The commercialization of fuel cells is still a challenge of this technology, principally due to high price of the catalysts and membrane, slow kinetic of oxygen reduction reaction and stability of the cell. In this work the efficiency and stability of the nanoparticulated bimetallic PtCr supported on carbon of high surface area catalysts were studied to be used in the cathodes of proton exchange membrane fuel cell. The physical characterization of these materials was carried out by various techniques, such as X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray absorption spectroscopy (XAS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and transmission electron microscopy (TEM). The catalysts were characterized electrochemically by measuring the polarization curves, which were recorded in a single cell, using Nafion®115 membrane with anode fed with H2 and cathode fed with O2/air. The gases used were saturated with mili-Q water at different temperatures and pressures. Cyclic voltammetry and CO stripping experiments were used to measure the active surface areas of the catalysts and finally the stability studies were conducted, simulating the accelerated degradation through the cyclic voltammetry. The polarization curves results of the catalysts prepared by poliol method and of commercial catalysts showed that with the increase in the quantity of chromium a decline in performance occurs. The Pt3Cr catalyst prepared by impregnation method presented a poor performance. The catalysts prepared by poliol and commercial catalyst have near the same particle sizes and different amount of alloyed Cr, such that the chromium in poliol catalys is present in oxides form. The accelerated degradation results showed that catalyst prepared by poliol method presented a better performance and stability.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-06-02T18:25:24Z No. of bitstreams: 1 UlissesRego.pdf: 1474234 bytes, checksum: a8cb075e16a2eff24833d0907c52e571 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-02T18:25:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 UlissesRego.pdf: 1474234 bytes, checksum: a8cb075e16a2eff24833d0907c52e571 (MD5) Previous issue date: 2011-01-25 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) / This work consisted in the preparation and study of catalytic activity for reduction of molecular oxygen (ROM) based on head-treated coordination compounds with nitrogenated ligands, impregnated on carbon nanosupports (nanotube - NTC, and nanoparticles - Vulcan). The following ions complexes [Fe(bipy)3]2+ and [Fe(TPTZ)2]2+ (2,2 '-bipyridine and 2 ,4,6-tris (2-pyridyl) -1,3,5-triazine) were synthesized and characterized in solution (electron spectroscopy in the region UV-vis, cyclic voltammetry). The following materials were prepared C1: Fe(10%)-Bipy/NTC; C2: Fe(5%) -Bipy/NTC; C3: Fe(5%)-Bipy/Vulcan and C4: Fe(5%)-TPTZ/Vulcan. The comparison between C1 and C2, and between C2 and C3 materials, showed, respectively, the effect of metal loading and the nature of the carbon support on their catalytic efficiency. The comparison among all and C4 (already reported in the literature) allowed the verification of experimental methodology employed. The effect of temperature on the electrocatalytic performance was observed for C1. The following pyrolysis temperatures were used: 600-1000 oC. The results showed that metal loading and the nature of the support influence the catalytic ability of the materials. The best pyrolysis temperature observed to generate active sites in C1 for the ROM was at 800 oC. All materials were treated at this temperature, and the efficiency order observed was: C4 (Fe (5%) -TPTZ/Vulcan) >> C1 (Fe(10%)-Bipy/NTC) > C2 (Fe(5%)-Bipy/NTC) > C3 (Fe (5%) -Bipy/Vulcan). For not heat treated materials, the activity order observed was: C3 (Fe(5%)-Bipy/Vulcan) C4 (Fe (5%)-TPTZ/Vulcan) > C1 (Fe (10%)-bipy/NTC) > C2 (Fe (5%) -Bipy/NTC). C2 and C3 catalysts showed a tendency to reduce the molecular oxygen according to 2e- mechanism, while C1 and C4 materials by 4e- mechanism. For some reason, the TPTZ ligand favored the generation of catalytic sites more efficient than Bipy in these materials. / Este trabalho consistiu na preparação e estudos de atividade de catalisadores para redução do oxigênio molecular (ROM) à base de compostos de coordenação com ligantes nitrogenados, impregnados em nanosuportes de carbono e tratados termicamente (nanotubos – NTC; e nanopartículas – Vulcan). Os íons complexos sintetizados e caracterizados em solução por espectrofotometria eletrônica na região Uv-vis, voltametria cíclica, foram: [Fe(Bipy)3]2+ e [Fe(TPTZ)2]2+ (2,2’-bipiridina e 2,4,6-tris(2-piridil)-1,3,5-triazina). Os seguintes materiais foram preparados C1: Fe(10%)-Bipy/NTC; C2: Fe(5%)-Bipy/NTC; C3: Fe(5%)-Bipy/Vulcan e C4: Fe(5%)-TPTZ/Vulcan. A comparação entre os materiais C1 e C2, e entre C2 e C3 permitiu verificar, respectivamente, o efeito da carga do metal e da natureza do suporte de carbono na eficiência catalítica dos materiais. A comparação de todos com o C4 (já relatado na literatura) permitiu a verificação da metodologia experimental empregada. O efeito da temperatura na eficiência eletrocatalítica foi verificado para o C1, empregando-se as temperaturas de pirólise de 600 – 1000 oC. Os resultados mostraram que o suporte e a concentração do metal influenciam na capacidade catalítica dos materiais. A melhor temperatura de pirólise do C1 para a geração de sítios ativos para a ROM foi 800 oC. Os demais materiais foram tratados a esta temperatura, e a ordem de eficiência observada foi: C4 (Fe(5%)-TPTZ/Vulcan) >> C1 (Fe(10%)-Bipy/NTC) > C2 (Fe(5%)-Bipy/NTC) > C3 (Fe(5%)-Bipy/Vulcan). Para os materiais não tratados termicamente, a ordem de atividade observada foi: C3 (Fe(5%)-Bipy/Vulcan) C4 (Fe(5%)-TPTZ/Vulcan) > C1 (Fe(10%)- Bipy/NTC) > C2 (Fe(5%)-Bipy/NTC). Os catalisadores C2 e C3 apresentaram uma tendência em reduzir o oxigênio via um mecanismo de 2e-, enquanto os materiais C1 e C4 por mecanismo de 4e-. O ligante TPTZ, de algum modo, favoreceu mais a geração de sítios catalíticos eficientes nestes materiais que a Bipy.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-06-02T19:56:39Z No. of bitstreams: 1 PauloMelo.pdf: 1885214 bytes, checksum: 6465bf341f7075901189f6e8c3bc6680 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-02T19:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PauloMelo.pdf: 1885214 bytes, checksum: 6465bf341f7075901189f6e8c3bc6680 (MD5) Previous issue date: 2016-07-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão (FAPEMA) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ) / The oxygen reduction reaction (ORR) is a fundamental reactionin the performance of próton exchange membrane fuel cells (PEMFC). In these systems, platinum (Pt) nanoparticles dispersed on Vulcan XC-72 carbon still remains the most widely used system to promote the RRO in aqueous solutions. In the last decades, new carbonaceous materials, as fullerene, single wall carbon nanotubes (SWCNT) and multiwall carbono nanotubes (MWCNT), graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), were developed and researched as new support materials for electron mediators in different areas, as electrochemistry, sensor, surface science and heterogeneous catalysis. In this work, Pt nanoparticles have been dispersed on Vulcan XC-72, MWCNT, GO e rGO by the alcohol reduction method using ethylene glycol as solvent and reduction agent. Physical characterization of these materials were conducted with energy dispersive Xray spectroscopy (EDS or EDX), X-ray diffraction spectroscopy (DRX), transmission electron microscopy (TEM) and Raman spectroscopy. The electrochemical properties of these materials were investigated, in 1,0 mol L-1 KOH solutions, with the cyclic voltammetry, rotating disk electrode and techniques, and showed that these carbonaceous materials promote the ORR through a peroxide mechanism (2-electrons) and the electrocatalytic activity decreases in the order rGO >> CNT > Vulcan > GO. After modifications with Pt nanoparticles, the ORR proceeds via a direct mechanism (4-electrons) and the electrocatalytic activity decreases in the order Pt/CNT > Pt/Vulcan XC-72 > Pt/GO > Pt/rGO. / A reação de redução de oxigênio (RRO) é uma reação fundamental no desempenho das células à combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC). Nestes sistemas, nanopartícula de platina (Pt) dispersa sobre carbono Vulcan XC-72 ainda continua sendo o sistema mais utilizado para promover a RRO em soluções aquosas. Nas últimas décadas, novos materiais carbonáceos, como fulereno, nanotubos de carbono de paredes simples (SWCNT) e de paredes múltiplas (MWCNT), óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno reduzido (rGO), foram desenvolvidos e vêm sendo pesquisados como suporte de mediadores eletrônicos nas áreas de eletroquímica, sensores, ciência de superfície e catálise heterogênea. Neste trabalho, nanopartículas de Pt foram dispersas sobre Vulcan XC-72, MWCNT, GO e rGO pelo processo de redução de álcool utilizando etileno glicol como solvente e agente redutor. Caracterizações físicas destes materiais foram realizadas com as técnicas de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX), espectroscopia de difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e espectroscopia Raman. As propriedades eletroquímicas destes materiais foram estudadas, em soluções aquosas KOH 1,0 mol L-1, com as técnicas de voltametria cíclica e eletrodo de disco rotatório, e os resultados mostraram que os materiais carbonáceos promovem a RRO por meio do mecanismo peróxido (2 elétrons) e atividade eletrocatalítica decresce na ordem rGO >> CNT > Vulcan > GO. Após modificações com nanopartículas de Pt, a RRO processa-se de acordo com o mecanismo direto (4 elétrons) e a atividade electrocatalítica indica uma diminuição na seguinte ordem de Pt/CNT > Pt/Vulcan > Pt/GO > Pt/RGO.

Células a combustível regenerativas unitizadas (URFCs) são dispositivos eletroquímicos capazes de atuar como um eletrolisador de água ou como uma célula a combustível. Contudo, para que o potencial de uma URFC seja plenamente alcançado é essencial o desenvolvimento de componentes ativos e estáveis nos dois modos de operação, em especial em relação ao catalisador a ser utilizado no eletrodo de oxigênio. Em meio ácido, catalisadores obtidos pela combinação de platina e óxido de irídio têm apresentado desempenho satisfatório para as reações de redução (RRO) e evolução de oxigênio (REO), mas a estabilidade desses materiais ainda é relativamente pouco explorada. Neste trabalho, catalisadores bifuncionais foram sintetizados pela deposição de nanopartículas de platina sobre óxido irídio amorfo (Pt/IrOx) e cristalino (Pt/IrO2), e caracterizados físico-quimicamente através de diferentes técnicas, como EDX, XRD, XPS, XAS e XPS. A caracterização eletroquímica e a avaliação da atividade catalítica foi realizada em célula eletroquímica de três eletrodos, no qual é mostrado que, enquanto catalisadores Pt/IrO2 possuem maior atividade para a RRO, materiais Pt/IrOx são mais ativos para a REO. A estabilidade dos catalisadores bifuncionais foi avaliada empregando-se diferentes protocolos de envelhecimento. Uma investigação detalhada dos processos de degradação foi feita através da técnica de microscopia eletrônica de transmissão de localização idêntica (IL-TEM), enquanto que a dissolução eletroquímica dos catalisadores foi monitorada online utilizando-se uma célula eletroquímica de fluxo hifenada a um espectrômetro de massas com plasma indutivamente acoplado (SFCICP-MS). / Unitized regenerative fuel cells (URFCs) are electrochemical devices that can operate as a water electrolyzer or as a fuel cell. However, for the potential of an URFC to be fully achieved, it is essential to develop components that are active and stable in both operation modes, especially in relation to the catalyst to be used in the oxygen electrode. In acidic media, catalysts obtained by the combination of platinum and iridium oxide have shown satisfactory performance for the oxygen reduction (ORR) and evolution (OER) reactions, but the stability of these materials is still relatively little explored. In this work, bifunctional catalysts were synthesized by the deposition of platinum nanoparticles on hydrous (Pt/IrOx) and crystalline (Pt/IrO2) iridium oxide, and physicochemically characterized by different techniques such as EDX, XRD, TEM, XPS and XAS. The electrochemical characterization and the evaluation of the catalytic activity were performed in a three-electrodes electrochemical cell, in which it is shown that, while Pt/IrO2 catalysts have higher activity for the ORR, Pt/IrOx materials are more active for the OER. The stability of the bifunctional catalysts was evaluated using different aging protocols. A detailed investigation of the degradation processes was done using the identical location transmission electron microscopy (IL-TEM) technique, while the electrochemical dissolution of the catalysts was monitored online using a scanning flow cell inductively coupled to a plasma mass spectrometer (SFC-ICP-MS) setup.

Vários trabalhos na literatura reportam a utilização de catalisadores à base de compostos macrocíclicos metálicos no estudo da reação de redução do oxigênio (RRO). Esta reação possui mecanismos complexos que ainda não foram totalmente compreendidos, sendo que os principais produtos gerados são água e peróxido de hidrogênio. A maior parte dos artigos encontrados na literatura estudam estes catalisadores com intuito de se ter como produto único ou majoritário a água, principalmente para aplicações em células a combustível. Porém, este trabalho tem como objetivo principal identificar catalisadores a base de compostos macrocíclicos metálicos, mais em específico ftalocianinas metálicas, que promovam uma geração majoritária de peróxido de hidrogênio. Em trabalhos futuros, os melhores catalisadores encontrados servirão como modificadores em eletrodos de difusão gasosa (EDG) na aplicação em sistemas de degradação de compostos orgânicos através dos processos oxidativos avançados (POA). <br/>Neste trabalho foram avaliados catalisadores contendo vários teores de ftalocianinas de manganês, ferro, cobre e cobalto incorporadas, separadamente, em uma matriz condutora de carbono Printex 6L. Para isto, foram realizadas medidas de fluorescência de raios X (XRF), medidas eletroquímicas de voltametria cíclica e linear utilizando um eletrodo disco/anel rotatório (RRDE) e medidas utilizando a técnica de microscopia eletroquímica de varredura (SECM). Os resultados de XRF obtidos indicaram que o método de incorporação das ftalocianinas metálicas foi eficaz. Os resultados da avaliação do direcionamento da RRO a partir das medidas de voltametria linear, cálculos de eficiência de corrente de H2O2, número total de elétrons trocados e gráfico de Koutecký-Levich indicaram que os catalisadores contendo ftalocianina de cobalto mostram-se promissores para a eletrogeração em grandes quantidades de H2O2, para posteriores aplicações em POA. <br/>Os resultados de SECM evidenciaram o efeito catalítico observado para o catalisador contendo 10 % de ftalocianina de cobalto, bem como revelou que a superfície do catalisador obtida indica uma distribuição não uniforme do modificador sobre a matriz Printex 6L; porém, outras medidas são necessárias para uma melhor compreensão deste fenômeno. / Several papers in the literature report the use of catalysts based on metallic macrocyclic compounds in the study of the oxygen reduction reaction (ORR). This reaction has complex mechanisms that are not yet fully understood, whereas the main products generated are water and hydrogen peroxide. Most articles in literature study these catalysts in order to have water as the major or sole product, particularly for applications in fuel cells. However, this study aims to identify catalysts containing metallic macrocyclic compounds, metallic phthalocyanines more specifically, to promote majority generation of hydrogen peroxide. In future studies, the best catalysts will serve as modifiers in gas diffusion electrodes (GDE) for application of organic compounds degradation systems, via the advanced oxidation processes (AOP). <br/>This study evaluated various contents of catalysts containing manganese, iron, copper and cobalt phthalocyanine incorporated separately into a Printex 6L carbon matrix. It was performed measurements of X-ray fluorescence (XRF), electrochemical experiments of cyclic and linear voltammetry using rotating ring/disk electrode (RRDE) and measurements using the technique of scanning electrochemical microscopy (SECM). XRF results indicated that the incorporation method of metal phthalocyanines was effective. Results of the evaluation of the ORR pathway obtained from linear voltammetry measurements, calculations of current efficiency of H2O2, total number of electrons exchanged and Koutecký-Levich plots indicated that the catalysts containing cobalt phthalocyanine proved to be promising to H2O2 electrogeneration in large quantities for further applications in AOP. <br/>The SECM results evidenced the catalytic effect observed for the catalyst containing 10% cobalt phthalocyanine and revealed its surface indicates a non-uniform distribution of the modifier on matrix Printex 6L. But other measures are necessary for a better understanding of this phenomenon.

Made available in DSpace on 2016-08-19T12:56:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Dayvid Pires Carvalho.pdf: 1761645 bytes, checksum: 3ce6a737d230555532aeb362666c27c3 (MD5) Previous issue date: 2014-08-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In order to develop a new Pt-free reducing agents for oxygen reduction reaction (ORR), the ligands 1 - (2-Pyridylazo)-2-naphthol (PAN) and 4-(2-pyridylazo)-resorcinol (PAR) were studied as nitrogen sources complexing with Fe (II) and Co (II) ions, supported on carbon nanoparticles (10 wt. % metal loading) and heat treated at temperature of 500, 700 and 900°C. The synthesized complexes ([ML₂]; M²⁺= Fe, Co; L = PAN, PAR) were characterized by UVVis and Infrared spectroscopies before impregnation step. By cyclic voltammetric technique it was found that all eletrocatalysts showed an increase of performance for ORR after heat treated and that the highest efficiency were reached by: Fe-PAN/C -700°C (0,818 V x ENH), Fe-PAN/C- 900 °C (0,786V x ENH), Co-PAN/C - 500 °C (0,657V x ENH) e Co-PAN/C - 700°C (0.673 V x ENH), e Co-PAN/C - 900°C (0.612 V x ENH), Co-PAR/C - 700°C (0.588 V x ENH), Co-PAR/C - 900°C (0.623 V x ENH) e Fe-PAR/C - 700°C (0.598 V x ENH). With EDR studies, it was possible to calculate, with Koutecký Levich equation, the number of electrons involved in the ORR for each catalyst at potentials of 0.1, 0.2, 0.3 and 0.4 V. Except COPAR-700 °C which the adopted method did not allow the the number of electrons, the other catalysts, which were calculated were nearer the behavior of a mechanism via 2 and 4e- while others saw. / Com o intuito de desenvolver um novo agente redutor livre de platina para reacção de redução de oxigênio (RRO), os ligantes de 1 - (2-Piridilazo)-2-naftol (PAN) e 4 - (2-piridilazo)- resorcinol (PAR) foram estudados como fontes de nitrogenio complexantes com os íons Fe (II) e Co (II), suportados em nanopartículas de carbono (10% de carga de metais) e tratados termicamente a uma temperatura de 500, 700 e 900 °C. Os complexos sintetizados ([ML₂]; M²⁺ = Fe, Co, L = PAN, PAR) foram caracterizados por UV-Vis e espectroscopia de infravermelho antes da etapa de impregnação. Pela técnica de voltametria cíclica, verificou-se que todos os catalisadores mostraram um aumento de desempenho para a RRO após o tratamento térmico e que a maior eficiência foram alcançados por: Fe-PAN/C -700°C (0,818 V x ENH), Fe-PAN/C- 900 °C (0,786V x ENH), Co-PAN/C - 500 °C (0,657V x ENH) e Co-PAN/C - 700°C (0.673 V x ENH), e Co-PAN/C - 900°C (0.612 V x ENH), Co-PAR/C - 700°C (0.588 V x ENH), Co- PAR/C - 900°C (0.623 V x ENH) e Fe-PAR/C - 700°C (0.598 V x ENH). Com os estudos de EDR, foi possível calcular, com a equação de Koutecky-Levich, o número de eletrons envolvidos na RRO para cada catalisador nos potenciais de 0,1, 0,2, 0,3 e 0,4V. Com exceção do CoPAR-700°C o qual o método adotado não permitiu que fosse calculado o número de elétrons, os demais catalisadores, apresentaram comportamento próximos do mecanismo via 2e- enquanto outros via 4e-.

Made available in DSpace on 2016-08-19T12:56:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO CARLOS CAVALCANTE LIMA.pdf: 2477869 bytes, checksum: 22a75a354de609d7dd46980e5ec9058a (MD5) Previous issue date: 2014-07-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The fuel cells (FCs) are seen as an efficient and clean alternative energy source that could replace existing fossil fuel-based technologies for use in portable, stationary devices, as well as vehicles, however, for the commercialization of DMFCs, is one of the major impediments to the passage of methanol from the anode compartment to the cathode occurs through diffusion through the polymer membrane (crossover effect). Thus in order to minimize this effect the present work studied the electrocatalytic activity of Pt-based catalysts and MnO2 front of the oxygen reduction reaction in the absence and presence of methanol in alkaline medium. The physical characteristics of the catalysts were performed by EDX and XRD, the electrochemical properties of the materials were analyzed using the techniques of cyclic voltammetry and scanning linear and according to the results obtained it was found that the catalyst presented the best answer for the oxygen reduction reaction in the presence of methanol was MnO₂(Pt/C) without considerable loss of catalytic activity for ORR even in the presence of methanol. / As células a combustível (CaC) são vistas como uma fonte alternativa de energia eficiente e limpa que poderia substituir as tecnologias existentes baseadas em combustíveis fósseis para o uso em dispositivos, estacionarios, tracionários e portáteis, no entanto, para a comercialização de DMFCs, um dos principais problemas associados está relacionado a passagem de metanol do compartimento ânodico para o cátodo por difusão através da membrana polimérica (crossover effect). Assim, a fim de minimizar esse efeito o presente trabalho estudou a atividade eletrocatalítica de catalisadores à base de Pt e MnO2 frente a reação de redução de oxigênio na ausência e na presença de metanol em meio alcalino. A caracterização físicas dos catalisadores foram realizadas por Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X (EDX) e Difratometria de Raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), as propriedades eletroquímicas dos materiais foram analisados utilizando as técnicas de voltametria cíclica e varredura linear e de acordo com os resultados obtidos, verificou-se que o catalisador que apresentou a melhor resposta para a reação redução de oxigênio, na presença de metanol foi MnO₂(Pt/C), sem perda significativa na atividade catalítica para a RRO mesmo na presença de metanol.

A reação de redução de oxigênio (RRO) e a reação de oxidação do borohidreto (ROB) foram estudadas em eletrólito alcalino em eletrodos formados por diversos tipos de óxidos de manganês dopados com Ni (II) dispersos sobre carbonos Monarch 1000, MM225 e E350. As técnicas de caracterização físico-química foram difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HR-TEM) equipado com espectrômetro de energia dispersiva de raios X (EDX). Já os estudos eletroquímicos compreenderam voltametria cíclica, curvas de polarização de estado quase estacionário além das técnicas de Espectroscopia de massas diferencial on line (DEMS) e Infravermelho com transformada de Fourier in situ (FTIR). Foi observada pequena inserção dos átomos de Ni na estrutura dos MnOx. A fase correspondente a NiMnOx/C está presente na forma de aglomerados nanocristalinos ou em forma de agulhas com tamanhos da ordem de 1,5 a 6,7 nm dependendo do tipo de carbono utilizado como substrato. Manganita (MnOOH) apresentou-se como fase preponderante para óxido de manganês disperso sobre carbono Monarch 1000 enquanto que para materiais dispersos sobre carbono MM225 e E350G a fase MnO2 esta presente em maior quantidade. Estudos eletroquímicos em camada fina utilizando eletrodo disco rotatório revelaram melhores atividade para a RRO e estabilidade para MnOx dopados com níquel. A RRO procede segundo o mecanismo peróxido, seguida pela reação de desproporcionação do íon HO2- formado. A extensão da reação de desproporcionação do íon HO2- aumenta com o aumento da quantidade de Ni. Sobre eletrocatalisadores suportados em carbonos MM225 e E350 a reação de desproporcionação é mais rápida e envolve um total de 4 e- por oxigênio molecular. As curvas de polarização para RRO obtidas na presença do íon BH4- mostraram que todos os materiais são tolerantes à presença do borohidreto. Resultados de DEMS on line e FTIR in situ mostraram que óxidos de manganês dopados com Ni além de serem ativos para RRO são também ativos para a ROB, porém há uma grande influência da composição e da morfologia dos materiais uma vez que, quando fases segregadas de Ni estão presentes nas amostras, a reação compete com a hidrólise heterogênea do BH4- levando a uma diminuição da eficiência faradaica. / The oxygen reduction reaction (ORR) and the borohydride oxidation reaction (BOR) were studied in alkaline medium on Ni (II) doped MnOx catalysts supported on different carbon powder substrates. Characterizations of physico chemical properties were made by X ray diffraction (XRD), high resolution transmition electronic microscopy (HR-TEM) equipped with X ray dispersive energy spectroscopy (EDS). Electrochemical studies involved cyclic voltammetry and oxygen reduction voltammograms. Also it was used Differential Electrochemical Mass Spectrometry on line (DEMS) and Fourier Transform Infra Red Spectrometry (FTIR) in situ. A small insertion of Ni atoms in the MnOx lattice was observed, this consisting of a true doping of the manganese oxide phase. The corresponding NiMnOx phase is present in the form of needles or agglomerates, with crystallite sizes in the order of 1.5-6.7 nm. Layered manganite (MnOOH) phase has been detected for the Monarch1000 supported NiMnOx material, while different species of MnOx phases are present at the E350G and MM225 carbons. Electrochemical studies in thin porous coating active layers in the rotating ring-disk electrode setup revealed that the MnOx catalysts present better ORR kinetics and electrochemical stability upon Ni doping. The ORR follows the so-called peroxide mechanism on MnOx/C catalysts, with the occurrence of minority HO2- disproportionation reaction. The HO2- disproportionation reaction progressively increases with the Ni content in NiMnOx materials. The catalysts supported on the MM225 and E350G carbons promote faster disproportionation reaction, thus leading to an overall four-electron ORR pathway. The results towards ORR in presence of sodium borohydride showed that all materials are tolerant to the presence of BH4- ion into some extent. DEMS on line and FTIR in situ showed that NiMnOx/C are also active toward the BOR, but there is a strong influence of the nature of the electrocatalysts with respect to the morphology, composition, the nature of the carbon substrate and the Ni load. Results indicate that the electrocatalysts containing segregate Ni phases, the bohohydride oxidation occurs together with the heterogeneous hydrolysis of the BH4- ion resulting in a decrease of the faradaic efficiency.