Pós nanocristalinos de Ba1-xCaxTiO3(0≤ x ≤ 0.30) foram sintetizados pela primeira vez por meio do método dos precursores poliméricos modificados, em temperaturas relativamente baixas (500°C). Para a densificação dos corpos cerâmicos duas técnicas distintas foram utilizadas: a sinterização convencional, utilizando um forno elétrico; e a sinterização a laser, na qual um laser de CO2 foi utilizado como principal fonte de calor. Os corpos cerâmicos sinterizados pelas duas técnicas apresentaram um tamanho médio de grãos em torno de 500 nm, porém uma maior densidade relativa foi obtida nas cerâmicas sinterizadas a laser, chegando a 99%, além de boa transparência, ∼42% a 940 nm para a amostra com 30 mol% de Ca com espessura de 0.5 mm. Também verificamos por meio de simulação numérica, que a equação de condução de calor na aproximação linear, considerando uma fonte de calor com perfil gaussiano, descreve qualitativamente o comportamento observado durante a sinterização a laser no seu estágio final. Por meio da técnica de espectroscopia de impedância foi feita a caracterização dielétrica dos corpos cerâmicos, nos quais três pontos principais foram estudados: i) o efeito do tamanho de grãos; ii) a influência da concentração de Ca; e iii) a influência do método de sinterização. Com a variação do tamanho do grão foram observadas mudanças na intensidade do pico de transição ferro-paraelétrica, na temperatura de Curie e na permissividade relativa à temperatura ambiente. Para concentrações de Ca até 15 mol%, as cerâmicas apresentaram uma transição de Curie estreita semelhante ao BaTiO3,enquanto que para concentrações maiores, uma transição de fase difusa foi observada. A sinterização a laser resultou em corpos cerâmicos com constante dielétrica 30% maior, e menor perda dielétrica do que as cerâmicas sinterizadas convencionalmente. Finalmente, foi proposto um modelo baseando-se na formação de vacâncias de oxigênio para o aumento da condutividade elétrica com a substituição de Ca. / Ba1-xCaxTiO3 (0 ≤ x ≤ 0.30) nanocrystalline powders were successfully synthesized for the first time at relative low temperature (500 °C) by a modified polymeric precursor method. The densification of the ceramics was made by two distinct techniques: conventional sintering using an electric furnace; and by a laser sintering process in which a CO2 laser is used as the main heating source. It was achieved dense ceramics with an average grain size about 500 nm from both techniques. However, the laser sintered ceramics presented a higher relative density (99 %) and a transparency of 42% at 940 nm in the sample with 30 mol% of Ca. By numerical simulation of the thermal conduction equation on the linear approximation case and taking account a thermal source with a gaussian profile, it was possible to describe qualitatively the final stage of the laser sintering process. The dielectric characterization of the ceramic bodies were carried out by the impedance spectroscopy technique and three main effects were studied: i) the grain size effect; ii) the Ca concentration influence; and, iii) the sintering technique influence. Modifying the grain size led to changes in the ferro-paraelectric transition magnitude, on the Curie temperature value and in the relative permittivity at room temperature. For Ca2+ concentrations up to 15 mol% the sintered ceramics presented a sharp Curie transition like BaTiO3,while for higher Ca concentrations a diffuse phase transition was observed. The laser sintered ceramics presented a dielectric constant 30% higher than the conventional sintering and a lower dielectric loss. Finally, we have proposed a model based on the oxygen vacancies formation to explain the conductivity increase with the Ca2+ substitution.

Neste trabalho, eletrocerâmicas a base de BaTiO3 e Ba(1-x)Erx TiO3 com x(Er3+) = 0,001, 0,010 e 0,050 foram preparadas através do método dos precursores poliméricos, com o propósito de estudar as possíveis relações entre os comportamentos termistor (tipo PTCR) e varistor em nível elétrico e microestrutural. Após calcinação dos pós-precursores em 700°C por 2h, os pós compactados isostaticamente a 300 MPa na forma de pastilhas, foram sinterizados em 1200°C, 1250°C, 1300°C e 1350°C. Foram realizadas caracterizações estruturais e microestruturais aplicando as técnicas de difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo, além de estudos elétricos e dielétricos utilizando a técnica de espectroscopia de impedância como ferramenta principal. Destas caracterizações, verificou-se a obtenção de materiais cerâmicos densos e com valores médios de tamanhos de grãos dependentes de x(Er3+) bem como da temperatura de sinterização. A análise dos resultados de espectroscopia de impedância via circuito equivalente revelaram para as amostras de Ba(1-x)ErxTiO3 que as respostas elétricas podem ser associadas a 3 microrregiões (Modelo Core-Shell): os núcleos e as \"couraças\", ambas relacionadas as porções internas dos grãos cerâmicos, mais os contornos de grãos, respectivamente. Considerando as contribuições resistivas associadas a cada microrregião, em função das tensões e temperaturas aplicadas, os comportamentos varistor e termistor das eletrocerâmicas de Ba(1-x)ErxTiO3 são apresentados e caracterizados em relação ao comportamento das amostras de BaTiO3. No âmbito geral, este trabalho revela uma boa correlação entre estes fenômenos e suas associações a cada microrregião identificada pelos modelos de circuitos equivalentes supostos na literatura. / Electroceramics based on Ba(1-x)ErxTiO3, with x(Er3+) = 0,001, 0,010, 0,050 stoichiometry were synthesized by the polymeric precursors method in an attempt to correlate the possible relations between the PTCR effect and the varistor behavior detected in terms of microstructures by electrical properties. After calcinated at 700°C for 2h, the samples were processed like pellets under isostatically compaction at 300 MPa, and sintered at 1200°C, 1250°C, 1300°C 1350°C, by 3h. Characterizations were made by x-ray diffraction, scanning electron microscopy with field emission gun and impedance spectroscopy, this last one, as the key tool from this work. The results, in general, showed good densification parameters, which are dependent of x(Er3+) and sintering temperature as well. Furthermore, impedance spectroscopy via equivalents circuits, in terms of the series layer model, revealed the appearance of three microregions, which are stated to be in well agreement with the Core-Shell microstructural model. Considering the relation between the resistive response of each microregion, i.e., the nuclei, the intermediary shells and the grain boundaries, it was possible to establish a path to the relation between PTCR effect with the varistor one under the structural, microstructural and electrical peculiarities from the Ba(1-x)ErxTiO3 electroceramic system, in comparison with the pure polycrystalline BaTiO3 behavior.

[pt] O objetivo deste trabalho foi estudar a funcionalização química de nanotubos de titanato (TTNTs) com 3-aminopropiltrietoxisilano, para uso como reforço de nanocompósitos de matriz náilon-11, com o intuito de melhorar a dispersão e compatibilidade destas nanocargas com a matriz polimérica. Foram sintetizadas duas amostras: TTNTs/H e TTNTs/L, com alto e baixo teor sódio respectivamente, funcionalizadas em uma solução etanol/água 95/5 v/v e água para avaliar o efeito do meio de reação na quantidade de silano enxertada na superfície dos TTNTs, expressa como densidade de grupos aminopropil por nm2 (NR). Os TTNTs funcionalizados foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho, análise elementar de CHN, medição da área superficial específica, termogravimetria e microscopias eletrônicas de varredura e de transmissão. Foram fabricados nanocompósitos de matriz náilon-11 por microextrusão-microinjeção, reforçados com TTNTs de partida e funcionalizados em concentrações de 0.5, 1.0 e 2.0 porcento wt. Finalmente, foram avaliadas as propriedades mecânicas, térmicas e microestruturais dos nanocompósitos. Os resultados demonstraram a formação da ligação covalente Ti-O-Si e revelaram um maior valor de NR quando o meio de reação foi etanol/água para ambos os TTNTs. Os nanocompósitos reforçados com TTNTs/H funcionalizados em água e TTNTs/L silanizados em mistura etanol/água, em uma proporção de 2 porcento wt, apresentaram um incremento no módulo de elasticidade de 11 e 13 porcento respectivamente, com um decréscimo das propriedades no escoamento e um aumento na temperatura de degradação, quando comparados com o náilon-11 puro. O nanocompósito que apresentou a melhor dispersão foi o fabricado com 0.5 porcento wt. TTNTs/L silanizados em etanol/agua. / [en] The aim of this work was to study the chemical functionalization of titanate nanotubes (TTNTs) with 3-aminopropyltriethoxysilane for application as a reinforcement of nylon-11 matrix nanocomposites in order to increase the dispersion and compatibility between nanotubes and the polymer matrix. Two samples with high and low sodium content (TTNTs/H and TTNTs/L, respectively) were functionalized in a solution of ethanol/water 95/5 v/v and water to assess the effect of the reaction medium on the amount of silane grafted on the TTNTs surface, expressed as the density of aminopropyl groups per nm2 (NR). The functionalized nanotubes were characterized by infrared spectroscopy, CHN elemental analysis, measurement of the specific surface area, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Nylon-11 matrix nanocomposites were manufactured by microextrusionmicroinjection and reinforced with 0.5, 1.0 and 2.0 wt. percent of pristine and functionalized nanotubes. Finally, mechanical and thermal properties as well as the microstructure of the nanocomposites were evaluated. The results confirmed the Ti-O-Si covalent bond and showed a higher NR value when the silanization was performed in ethanol/water for both TTNTs. The nanocomposites reinforced with 2 wt. percent of TTNTs/H (silanized in water) and with TTNTs/L (silanized in ethanol/water) presented an enhancement on the Young s modulus of 11 and 13 percent, respectively when compared with the neat nylon-11. The yield properties of these nanocomposites decreased, but the degradation temperature was improved with the incorporation of the functionalized nanotubes. The nanocomposite prepared with 0.5 wt. percent TTNTs/L silanized in ethanol/water showed the best dispersion.

[pt] Processamento e Caracterização de Nanocompósitos de Nylon 11 reforçados por Nanotubos de Titanatos Modificados com Surfactantes estuda a influência da adição de nanotubos de titanato (TTNTs) nas propriedades mecânicas do Nylon 11 (Poliamida 11). De acordo com estudos prévios, espera-se que pequenas quantidades de TTNTs melhorem propriedades como resistência mecânica e rigidez. No entanto, a incorporação dessas nanopartículas também pode acarretar numa piora dessas propriedades, caso não haja uma dispersão eficaz na matriz polimérica. Assim sendo, também foram avaliados compósitos de Nylon 11 e nanotubos de titanato modificados com 2 tipos de surfactantes, um catiônico (CTAB) e outro aniônico (SDS) para investigação do efeito destes surfactantes na dispersão dos TTNTs e por consequência nas propriedades finais dos compósitos comparados ao Nylon 11 puro. Foi realizado também um estudo da dispersão dos nanotubos com e sem mistura com surfactante em água e butanol, em três intervalos de tempo, 15, 30 e 60 min a fim de se escolher os melhores parâmetros para a dispersão. Foram produzidos compósitos em uma microextrusora e uma microinjetora. Os compósitos com TTNTs tratados com CTAB apresentaram aumentos de 15 por cento e 10 por cento no módulo de elasticidade e os compósitos com TTNTs tratados com SDS apresentaram aumentos de 26 por cento e 20 por cento para essa mesma propriedade, respectivamente nas concentrações de 0.5 e 2 por cento wt de TTNTs, em relação ao Nylon 11 puro. / [en] Processing and Characterization of Nylon 11 Nanocomposites Reinforced with Titanates Nanotubes Modified by Surfactants has investigated the effect of titanate nanotubes (TTNTs) in the mechanical properties of Nylon 11 (polyamide 11) polymer. According to the existing literature small amounts of TTNTs in polymer matrix improve properties such as tensile strength and stiffness. However, the addition of these nanoparticles may also lead to a decrease of strength of the composite if the nanotubes are not well dispersed in the polymer matrix. Therefore, Nylon 11 composites with TTNTs treated with 2 kinds of surfactant - a cationic (CTAB) and an anionic (SDS) - were also investigated. The surfactants act as dispersion agents leading to a better dispersion state of nanotubes and as a final result, promote enhancement of composites mechanical properties. Also, the dispersion of nanotubes was studied with and without mixing surfactants in distilled water and butanol, in three different time intervals (15, 30 and 60 minutes) to assess the optimal dispersion parameters. Composites were produced in a microextruder and a microinjector. The composites with TTNTs treated with CTAB displayed an increase of 15 percent and 10 percent in the Young s Modulus and the composites with TTNTs treated with SDS displayed an increase of 26 percent and 20 percent in the same property, respectively in the concentrations of 0.5 and 2 percent wt of TTNTs, compared to pure Nylon 11.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) are electrochemical energy conversion devices which allow fuel gases, e.g. hydrogen or natural gas, to be converted to electricity and heat at much high efficiencies than combustion-based energy conversion technologies. SOFC are particularly suited to employment in stationary energy conversion applications, e.g. micro-combined heat and power (μ-CHP) and base load, which are certain to play a large role in worldwide decentralisation of power distribution and supply over the coming decades. Use of high-temperature SOFC technology within these systems is also a vital requirement in order to utilise fuel gases which are readily available in different areas of the world. Unfortunately, the limiting factor to the long-term commercialisation of SOFC systems is the redox instability, coking intolerance and sulphur poisoning of the state-of-the-art Ni-based cermet composite anode material. This research explores the ‘powder to power' development of alternative SOFC anode catalyst systems by impregnation of an A-site deficient La0.20Sr0.25Ca0.45TiO3 (LSCT[sub](A-)) anode ‘backbone' microstructure with coatings of ceria-based oxide ion conductors and metallic electrocatalyst particles, in order to create a SOFC anode which exhibits high redox stability, tolerance to sulphur poisoning and low voltage degradation rates under operating conditions. A 75 weight percent (wt. %) solids loading LSCT[sub](A-) ink, exhibiting ideal properties for screen printing of thick-film SOFC anode layers, was screen printed with 325 and 230 mesh counts (per inch) screens onto electrolyte supports. Sintering of anode layers between 1250 °C and 1350 °C for 1 to 2 hours indicated that microstructures printed with the 230 mesh screen provided a higher porosity and improved grain connectivity than those printed with the 325 mesh screen. Sintering anode layers at 1350 °C for 2 hours provided an anode microstructure with an advantageous combination of lateral grain connectivity and porosity, giving rise to an ‘effective' electrical conductivity of 17.5 S cm−1 at 850 °C. Impregnation of this optimised LSCT[sub](A-) anode scaffold with 13-16 wt. % (of the anode mass) Ce0.80Gd0.20O1.90 (CGO) and either Ni (5 wt. %), Pd, Pt, Rh or Ru (2-3 wt. %) and integration into SOFC resulted in achievement of Area Specific Resistances (ASR) of as low as 0.39 Ω cm−2, using thick (160 μm) 6ScSZ electrolytes. Durability testing of SOFC with Ni/CGO, Ni/CeO2, Pt/CGO and Rh/CGO impregnated LSCT[sub](A-) anodes was subsequently carried out in industrial button cell test rigs at HEXIS AG, Winterthur, Switzerland. Both Ni/CGO and Pt/CGO cells showed unacceptable levels of degradation (14.9% and 13.4%, respectively) during a ~960 hour period of operation, including redox/thermo/thermoredox cycling treatments. Significantly, by exchanging the CGO component for the CeO2 component in the SOFC containing Ni, the degradation over the same time period was almost halved. Most importantly, galvanostatic operation of the SOFC with a Rh/CGO impregnated anode for >3000 hours (without cycling treatments) resulted in an average voltage degradation rate of < 1.9% kh−1 which, to the author's knowledge, has not previously been reported for an alternative, SrTiO3-based anode material. Finally, transfer of the Rh/CGO impregnated LSCT[sub](A-) anode to industrial short stack (5 cells) scale at HEXIS AG revealed that operation in relevant conditions, with low gas flow rates, resulted in accelerated degradation of the Rh/CGO anode. During a 1451 hour period of galvanostatic operation, with redox cycles and overload treatments, a voltage degradation of 19.2% was observed. Redox cycling was noted to briefly recover performance of the stack before rapidly degrading back to the pre-redox cycling performance, though redox cycling does not affect this anode detrimentally. Instead, a more severe, underlying degradation mechanism, most likely caused by instability and agglomeration of Rh nanoparticles under operating conditions, is responsible for this observed degradation. Furthermore, exposure of the SOFC to fuel utilisations of >100% (overloading) had little effect on the Rh/CGO co-impregnated LSCT[sub](A-) anodes, giving a direct advantage over the standard HEXIS SOFC. Finally, elevated ohmic resistances caused by imperfect contacting with the Ni-based current collector materials highlighted that a new method of current collection must be developed for use with these anode materials.

Tecnologias efetivas para o tratamento de águas e efluentes representam um dos grandes desafios da nossa sociedade; dentre as opções, a fotoeletrocatálise pode ser considerada como uma técnica alternativa e de interesse. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver eletrodos de TiO2 modificados visando o tratamento fotoeletrocatalítico de interferentes endócrinos. Realizou-se inicialmente a síntese de nanotubos de TiO2 (TiO2-NT) sobre substrato de Ti metálico via anodização eletroquímica em eletrólito NaH2PO4/HF. Para minimizar as limitações inerentes ao TiO2 realizou-se a eletrodeposição de WO3 sobre os nanotubos de TiO2 (Ti/TiO2-NT/WO3) e diretamente sobre o substrato de Ti metálico. Este último revelou a formação de uma camada fina de TiO2 sobre a superfície, posterior ao tratamento térmico, formando um compósito (Ti/TiO2/WO3). A análise de difração de raios-X confirmou a formação da fase monoclínica de WO3 para ambas as sínteses e a fase anatase para os eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3. Para as duas sínteses, as medidas de energia dispersiva de raios-X revelaram uma quantidade crescente de W na composição dos eletrodos com o aumento do tempo de eletrodeposição. Teores elevados de W (acima de 1,2 %) apresentaram uma diminuição expressiva nos valores de fotocorrente. No entanto, baixos teores de W (entre 0,4 e 1,2 %) indicaram um aumento de 20 % nos valores de fotocorrente para os eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3 (20 mA cm-2) e Ti/TiO2/WO3 (17 mA cm-2) comparados aos não modificados, no potencial de +2,0 V. As análises de reflectância difusa mostraram uma baixa energia de bandgap (&asymp; 2,90 eV, eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3) e um aumento na absorção da irradiação UV-Vis. Posteriormente, os eletrodos modificados foram aplicados na oxidação fotoeletrocatalítica (FE) dos compostos bisfenol-A (BPA) e propilparabeno (PPB), sob irradiação UV-Vis. O método FE apresentou um excelente desempenho em condições ácidas, aplicando-se potencial de +1,50 V e +0,50 V para os eletrodos Ti/TiO2-NT/WO3 e Ti/TiO2/WO3, respectivamente. A mineralização dos compostos BPA e PPB foi superior a 80 % tanto para o Ti/TiO2-NT/WO3 como para o Ti/TiO2/WO3. Quanto à taxa de remoção, o BPA e PPB foram completamente removidos após 45 e 60 min, respectivamente, para os eletrodos de Ti/TiO2/WO3 e após 30 minutos para os eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3. Adicionalmente, os eletrodos apresentaram um baixo consumo energético e boa estabilidade química. Comparada à técnica de fotocatálise (FC), a FE revelou uma eficiência de mineralização 2 vezes superior para o Ti/TiO2-NT/WO3 e mais de 20 % superior para o Ti/TiO2/WO3. Logo, as modificações dos eletrodos de TiO2 com WO3 constituíram importantes contribuições para o desempenho dos materiais, sendo um passo importante para a aplicação em tratamentos alternativos de descontaminação de águas residuárias. Ainda foi de interesse neste trabalho propor um método para a inserção de nanotubos (TiNT) e nanofolhas (TiNS) de titanatos no interior de nanotubos de TiO2 via eletroforese. O estudo possibilitou o desenvolvimento de um método simples e eficiente para a modificação de nanoestruturas complexas. A movimentação do contra eletrodo sobre a superfície do eletrodo de trabalho, adaptado com uma escova nas laterais, reduziu a espessura da camada de TiNS/TiNT. O potencial aplicado (20 V) e a estimulação mecânica da superfície foram importantes para a incorporação das nanoestruturas dentro dos poros de TiO2-NTs. Como resultado, os eletrodos apresentaram um aumento da hidrofobicidade e uma melhora na capacidade de oxidação direta comparado ao eletrodo não modificado. / Effective technologies for the water and wastewater treatment represent a challenges for our society; among the options, the photoelectrocatalysis can be considered a promising and interesting alternative. In this context, the objective of this study was to develop modified TiO2 electrodes for the photoelectrocatalytic treatment of endocrine disruptors. The synthesis of TiO2 nanotubes (TiO2-NT) on metallic Ti substrate was carried out via electrochemical anodization in NaH2PO4 /HF electrolyte. In order to minimize the limitations inherent of TiO2, the electrodeposition of WO3 was performed on the TiO2 nanotubes (Ti/TiO2-NT/WO3) and also in the metallic Ti substrate. The deposition on the Ti metallic produced a thin layer of TiO2 on the surface, subsequent to the heat treatment, generating a composite (Ti/TiO2/WO3). The X-ray diffraction analysis (XRD) confirmed the monoclinic phase of WO3 for both the syntheses and the anatase phase of TiO2 for the Ti/TiO2-NT/WO3 electrodes. For the two syntheses, the X-ray dispersive energy (EDX) analisys indicated an increasing amount of tungsten (W) in the composition of the electrodes with increasing of electrodeposition time. High W content (above 1.2%) showed a significant decrease in the photocurrent values. However, low content of W (between 0.4 and 1.2 %) indicated an increase of 20 % in the photocurrent values for the electrodes Ti/TiO2-NT/WO3 (20 mA cm-2) and Ti/TiO2/WO3 (17 mA cm-2) compared to the unmodified ones, at the potential of +2.0 V. Difuse reflectance analysis indicated low bandgap energy (&asymp; 2.90 eV, Ti/TiO2-NT/WO3 electrodes) and an increase in the UV-Vis irradiation absorption. The best electrodes modified with WO3 to the both syntheses were applied in the photoelectrocatalytic oxidation (PEC) of bisphenol-A (BPA) and propylparaben (PPB) compounds, under UV-Vis irradiation. The PEC method presented an excellent performance in acidic conditions, applying a bias potential of +1.50 V and +0.50 V for Ti/TiO2-NT/WO3 and Ti/TiO2/WO3 electrodes, respectively. The mineralization of BPA and PPB compounds was greater than 80% for both Ti/TiO2-NT/WO3 and Ti/TiO2/WO3. In relation to the removal rate, BPA and PPB were completely removed after 45 and 60 min, respectively, for Ti/TiO2/WO3 electrodes and after 30 minutes for Ti/TiO2-NT/WO3 electrodes. Additionally, the electrodes presented a low energy consumption and good chemical stability. Compared to the photocatalysis (PC), the PEC was 2 times higher to the mineralization efficiency for Ti/TiO2-NT/WO3 and almost 20% higher for Ti/TiO2/WO3. Thus, the modifications of the TiO2 electrodes with WO3 represent an important contribution to the performance of materials and, therefore, a positive step for the application in alternative treatments of decontamination of wastewater. It was also of interest in this work to propose a new method for the insertion of nanotubes (TiNT) and nanosheets (TiNS) of titanates inside of TiO2 nanotubes via electrophoretic deposition. In this study was developed a simple and efficient method for the modification of complex nanostructures. The movement of the counter electrode on the surface of the working electrode, adapted with a brush on the edges, reduced the thickness of the TiNS/TiNT layer. The potential applied (20 V) and the mechanical stimulation in the surface were important for the incorporation of TiNS/TiNT into the pores of TiO2-NTs. As a result, the electrodes increased the hydrophobicity and an improvement to the direct oxidation capacity compared to the unmodified electrode.

Tecnologias efetivas para o tratamento de águas e efluentes representam um dos grandes desafios da nossa sociedade; dentre as opções, a fotoeletrocatálise pode ser considerada como uma técnica alternativa e de interesse. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver eletrodos de TiO2 modificados visando o tratamento fotoeletrocatalítico de interferentes endócrinos. Realizou-se inicialmente a síntese de nanotubos de TiO2 (TiO2-NT) sobre substrato de Ti metálico via anodização eletroquímica em eletrólito NaH2PO4/HF. Para minimizar as limitações inerentes ao TiO2 realizou-se a eletrodeposição de WO3 sobre os nanotubos de TiO2 (Ti/TiO2-NT/WO3) e diretamente sobre o substrato de Ti metálico. Este último revelou a formação de uma camada fina de TiO2 sobre a superfície, posterior ao tratamento térmico, formando um compósito (Ti/TiO2/WO3). A análise de difração de raios-X confirmou a formação da fase monoclínica de WO3 para ambas as sínteses e a fase anatase para os eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3. Para as duas sínteses, as medidas de energia dispersiva de raios-X revelaram uma quantidade crescente de W na composição dos eletrodos com o aumento do tempo de eletrodeposição. Teores elevados de W (acima de 1,2 %) apresentaram uma diminuição expressiva nos valores de fotocorrente. No entanto, baixos teores de W (entre 0,4 e 1,2 %) indicaram um aumento de 20 % nos valores de fotocorrente para os eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3 (20 mA cm-2) e Ti/TiO2/WO3 (17 mA cm-2) comparados aos não modificados, no potencial de +2,0 V. As análises de reflectância difusa mostraram uma baixa energia de bandgap (&asymp; 2,90 eV, eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3) e um aumento na absorção da irradiação UV-Vis. Posteriormente, os eletrodos modificados foram aplicados na oxidação fotoeletrocatalítica (FE) dos compostos bisfenol-A (BPA) e propilparabeno (PPB), sob irradiação UV-Vis. O método FE apresentou um excelente desempenho em condições ácidas, aplicando-se potencial de +1,50 V e +0,50 V para os eletrodos Ti/TiO2-NT/WO3 e Ti/TiO2/WO3, respectivamente. A mineralização dos compostos BPA e PPB foi superior a 80 % tanto para o Ti/TiO2-NT/WO3 como para o Ti/TiO2/WO3. Quanto à taxa de remoção, o BPA e PPB foram completamente removidos após 45 e 60 min, respectivamente, para os eletrodos de Ti/TiO2/WO3 e após 30 minutos para os eletrodos de Ti/TiO2-NT/WO3. Adicionalmente, os eletrodos apresentaram um baixo consumo energético e boa estabilidade química. Comparada à técnica de fotocatálise (FC), a FE revelou uma eficiência de mineralização 2 vezes superior para o Ti/TiO2-NT/WO3 e mais de 20 % superior para o Ti/TiO2/WO3. Logo, as modificações dos eletrodos de TiO2 com WO3 constituíram importantes contribuições para o desempenho dos materiais, sendo um passo importante para a aplicação em tratamentos alternativos de descontaminação de águas residuárias. Ainda foi de interesse neste trabalho propor um método para a inserção de nanotubos (TiNT) e nanofolhas (TiNS) de titanatos no interior de nanotubos de TiO2 via eletroforese. O estudo possibilitou o desenvolvimento de um método simples e eficiente para a modificação de nanoestruturas complexas. A movimentação do contra eletrodo sobre a superfície do eletrodo de trabalho, adaptado com uma escova nas laterais, reduziu a espessura da camada de TiNS/TiNT. O potencial aplicado (20 V) e a estimulação mecânica da superfície foram importantes para a incorporação das nanoestruturas dentro dos poros de TiO2-NTs. Como resultado, os eletrodos apresentaram um aumento da hidrofobicidade e uma melhora na capacidade de oxidação direta comparado ao eletrodo não modificado. / Effective technologies for the water and wastewater treatment represent a challenges for our society; among the options, the photoelectrocatalysis can be considered a promising and interesting alternative. In this context, the objective of this study was to develop modified TiO2 electrodes for the photoelectrocatalytic treatment of endocrine disruptors. The synthesis of TiO2 nanotubes (TiO2-NT) on metallic Ti substrate was carried out via electrochemical anodization in NaH2PO4 /HF electrolyte. In order to minimize the limitations inherent of TiO2, the electrodeposition of WO3 was performed on the TiO2 nanotubes (Ti/TiO2-NT/WO3) and also in the metallic Ti substrate. The deposition on the Ti metallic produced a thin layer of TiO2 on the surface, subsequent to the heat treatment, generating a composite (Ti/TiO2/WO3). The X-ray diffraction analysis (XRD) confirmed the monoclinic phase of WO3 for both the syntheses and the anatase phase of TiO2 for the Ti/TiO2-NT/WO3 electrodes. For the two syntheses, the X-ray dispersive energy (EDX) analisys indicated an increasing amount of tungsten (W) in the composition of the electrodes with increasing of electrodeposition time. High W content (above 1.2%) showed a significant decrease in the photocurrent values. However, low content of W (between 0.4 and 1.2 %) indicated an increase of 20 % in the photocurrent values for the electrodes Ti/TiO2-NT/WO3 (20 mA cm-2) and Ti/TiO2/WO3 (17 mA cm-2) compared to the unmodified ones, at the potential of +2.0 V. Difuse reflectance analysis indicated low bandgap energy (&asymp; 2.90 eV, Ti/TiO2-NT/WO3 electrodes) and an increase in the UV-Vis irradiation absorption. The best electrodes modified with WO3 to the both syntheses were applied in the photoelectrocatalytic oxidation (PEC) of bisphenol-A (BPA) and propylparaben (PPB) compounds, under UV-Vis irradiation. The PEC method presented an excellent performance in acidic conditions, applying a bias potential of +1.50 V and +0.50 V for Ti/TiO2-NT/WO3 and Ti/TiO2/WO3 electrodes, respectively. The mineralization of BPA and PPB compounds was greater than 80% for both Ti/TiO2-NT/WO3 and Ti/TiO2/WO3. In relation to the removal rate, BPA and PPB were completely removed after 45 and 60 min, respectively, for Ti/TiO2/WO3 electrodes and after 30 minutes for Ti/TiO2-NT/WO3 electrodes. Additionally, the electrodes presented a low energy consumption and good chemical stability. Compared to the photocatalysis (PC), the PEC was 2 times higher to the mineralization efficiency for Ti/TiO2-NT/WO3 and almost 20% higher for Ti/TiO2/WO3. Thus, the modifications of the TiO2 electrodes with WO3 represent an important contribution to the performance of materials and, therefore, a positive step for the application in alternative treatments of decontamination of wastewater. It was also of interest in this work to propose a new method for the insertion of nanotubes (TiNT) and nanosheets (TiNS) of titanates inside of TiO2 nanotubes via electrophoretic deposition. In this study was developed a simple and efficient method for the modification of complex nanostructures. The movement of the counter electrode on the surface of the working electrode, adapted with a brush on the edges, reduced the thickness of the TiNS/TiNT layer. The potential applied (20 V) and the mechanical stimulation in the surface were important for the incorporation of TiNS/TiNT into the pores of TiO2-NTs. As a result, the electrodes increased the hydrophobicity and an improvement to the direct oxidation capacity compared to the unmodified electrode.

With the ever-advancing technology, there is an incessant need for reliable electrochemical energy storage (EES) components that can provide desired energy and power. At the forefront of EES systems are electrochemical capacitors (ECs), also known as supercapacitors that typically have higher power and superior cycle longevity but lower energy densities than their battery counterparts. One of the routes to achieve higher energy density for ECs is using the hybrid EC configuration, which typically utilizes a redox electrode coupled with a counter double-layer type electrode. In this dissertation, both scale-up (coin-cell type) as well as scale-down (on-chip miniaturized) hybrid ECs were designed, constructed and evaluated. The first part of the dissertation comprised material identification, syntheses, and electrochemical analyses. Lithium titanate-anatase titanium oxide (Li4Ti5O12-TiO2) composites were synthesized via electrostatic spray deposition (ESD) and characterized in both half-cell and full-cell assembly against lithium and nanostructured carbon based counter electrodes, respectively. The second redox type material studied for hybrid electrochemical capacitors was ESD derived manganese oxide (MnOx). The MnOx electrodes exhibited a high gravimetric capacitance of 225F g-1 in aqueous media. Further improvement in the rate handling of the MnOx electrodes was achieved by using CNT additives. The MnOx-CNT composites were tested in full-cell assembly against activated carbon counter electrodes and tested for different anode and cathode mass ratios in order to achieve the best energy-power tradeoff, which was the second major goal of the dissertation. The optimized hybrid capacitor was able to deliver a high specific energy density of 30.3 Wh kg-1 and a maximal power density of 4kW kg-1. The last part of the dissertation focused on a scale-down miniaturized hybrid microsupercapacitor; an interdigitated electrode design was adopted in order to shorten the ion-transport pathway, and MnOx and reduced graphene oxide (rGO) were chosen as the redox and double layer components, respectively. The hybrid microsupercapacitor was able to deliver a high stack energy density of 1.02 mWh cm-3 and a maximal stack power density of 3.44 W cm-3, both of which are comparable with thin-film batteries and commercial supercapacitor in terms of volumetric energy and power densities.

Poliuretanas são materiais tradicionalmente obtidos por métodos não ambientalmente amigáveis e existe uma tendência para que novas rotas venham a ser utilizadas para que exista uma redução significativa dos danos causados à natureza e seres vivos. Esses novos materiais são chamados polihidroxiuretanas e podem ser obtidas através da abertura dos anéis de carbonatos cíclicos quando reagidos com aminas primárias ou secundárias. O ciclocarbonato foi obtido a partir da reação de PDMS e utilizou-se CO2 como matéria prima, o que o torna ainda mais ambientalmente amigável. Neste caso foi utilizado como finalizador de cadeia, 4-(2-aminoethyl)benzene-1,2-diol, conhecido comercialmente como Dopamina. Esta amina foi escolhida por conter em suas extremidades, grupos catecóis que apresentam boa adesão em diferentes substratos em diferentes condições. Os resultados mostraram que o material apresentava uma boa adesão em ligas de titânio e também apresentavam alto grau de hidrofobicidade. O material desenvolvido também foi aplicado em nanotubos de titanato, afim de hidrofobizar o material e melhorar a capacidade de adsorção de compostos orgânicos, como corantes e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. Através de resultados de espectroscopia UV-Vis e Fluorescência Molecular, foi possível constatar a eficácia do nanocompósito para adsorver hidrocarbonetos aromáticos policíclicos e também adsorver e fotodegradar corantes. O material também quando aplicado como revestimento em ligas utilizadas em implantes médicos e odontológicos, apresentou efeito antimicrobiano para a maioria dos micro-organismos testados e quando tratados com prata, apresenta resultados bastante satisfatórios tanto em testes colorimétricos com XTT quanto para halos de inibição de micro-organismos. Desta forma a polihidroxiuretana aqui proposta se mostrou versátil e eficaz para todas as aplicações às quais foram submetidas. / Polyurethanes are materials traditionally obtained by non-environmentally friendly methods and there is a tendency for new routes to be used to significantly reduce the damage to nature and living things. These new materials are called polyhydroxyurethanes and can be obtained by opening the cyclic carbonate rings when reacted with primary or secondary amines. The carbonate cycle was obtained from the PDMS reaction and CO2 was used as feedstock, which makes it even more environmentally friendly. In this case, 4- (2-aminoethyl) benzene-1,2-diol, known commercially as dopamine, was used as the chain terminator. This amine was chosen because it contains at its ends catechol groups that have good adhesion on different substrates under different conditions. The results showed that the material had a good adhesion in titanium alloys and also showed a high degree of hydrophobicity. The material developed was also applied to titanate nanotubes in order to hydrophobize the material and to improve the adsorption capacity of organic compounds, such as dyes and polycyclic aromatic hydrocarbons. Through the results of UV-Vis spectroscopy and Molecular Fluorescence, it was possible to verify the effectiveness of the nanocomposite to adsorb polycyclic aromatic hydrocarbons and also to adsorb and photodegradate dyes. The material also when applied as a coating in alloys used in medical and dental implants, presented antimicrobial effect for most of the microorganisms tested and when treated with silver, presents quite satisfactory results in both colorimetric tests with XTT and for micro-organisms inhibition halos. In this way the polyhydroxyurethane proposed here proved versatile and effective for all the applications to which they were submitted.

Actuellement, les céramiques diélectriques suscitent de nombreux travaux pour des applications microondes (résonateurs diélectriques accordables ou déphaseurs). Pour cela, elles devront être commandables - modification de la constante diélectrique sous l'action d'un champ électrique – avoir une permittivité modérée (de 30 à 1000) et des tangentes de pertes les plus faibles possibles. Dans ce but, nous avons étudié des céramiques composites à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 (BSTO) et d'un oxyde non-ferroélectrique de faible permittivité (MgTiO3 ou MgO). Il s'agissait de corréler la microstructure des céramiques et leurs propriétés diélectriques, notamment la température de Curie et les relaxations diélectriques.<br />Des céramiques à grains nanométriques de BSTO, pour comparaison à des céramiques à grains microniques obtenues par frittage conventionnel, ont été réalisées par pressage à chaud de poudres broyées par attrition. L'hypothèse que ces céramiques amélioreraient les performances des dispositifs microondes s'est avérée inexacte. Une réduction des permittivités est observée mais au détriment de la commandabilité et des pertes. Les céramiques à grains micrométriques de BSTO dopées Mn ont conduit aux meilleures performances. Cependant, les pertes mesurées atteindraient une valeur limite basse lors de l'optimisation du matériau ; il s'agirait de pertes intrinsèques au matériau dues à une relaxation diélectrique de type dipolaire dans la gamme des GHz. Il faudra le vérifier par des mesures en infra-rouge.<br />Les températures de Curie (Tc) chutent drastiquement lors de l'ajout de MgTiO3 ou MgO, montrant une réaction entre les oxydes - observée par DRX seulement pour les céramiques à base de MgTiO3. Une faible interdiffusion abaisse donc largement Tc, et de ce fait la permittivité, et dégrade la commandabilité. Pour pallier ces problèmes, une structure multicouche est testée. Un affinement des dopages des composites pourrait aussi améliorer les performances.