Thesis (Ph.D.)--University of Delaware, 2006. / Principal faculty advisor: Jingguang G. Chen, Dept. of Chemical Engineering. Includes bibliographical references.

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Este trabalho teve como objetivo investigar eletrocatalisadores de baixo custo à base de carbeto de tungstênio, carbono e ferro submetidos a diferentes processos de nitretação quanto à atividade catalítica para reação de redução do oxigênio (RRO) nos eletrólitos ácido e alcalino. Os catalisadores foram divididos em três séries distintas, a primeira compreendendo aqueles onde houve variação da carga de carbeto de tungstênio em relação ao suporte de carbono, que foram impregnados com o complexo Fe2+(2,4,6-Tris(2-piridil)-1,3,5-Triazina)2, [Fe(TPTZ)2]2+ e tratados em duas temperaturas diferentes, 700 e 800 oC em atmosfera de nitrogênio. Na segunda série foi mantida constante a carga de carbeto de tungstênio (30% de W/C, m/m) sendo que esta mescla foi preparada usando carbonos dopados previamente com três fontes distintas de nitrogênio (HNO3, NH3 e HNO3/NH3); isto foi seguido pela incorporação do complexo Fe[TPTZ]2+ e pelos mesmos tratamentos térmicos acima mencionados. Na terceira série, os eletrocatalisadores foram preparados com três tipos de carbonos (Vulcan, Ketjenblack e Monarch), aos quais foi incorporado o complexo Fe[TPTZ]2+, seguido pelo tratamento térmico a 800 °C em atmosfera de nitrogênio e então por dopagem com amônia a 950 °C. As três séries de eletrocatalisadores sintetizados neste trabalho foram cuidadosamente caracterizadas por espectroscopia infra-vermelho e UV-Visível, difratometria de raio-x, microscopia eletrônica de transmissão, energia dispersiva de raios-x, espectroscipia Raman, espectroscopia fotoeletrônica de raios-x. As investigações eletroquímicas foram realizadas por voltametria cíclica (VC) e pelo levantamento de curvas de polarização de estado estacionário para a RRO, usando a técnica de eletrodo de disco/anel rotatório, com materiais catalíticos formando filmes finos depositados no eletrodo de disco. Nas três séries de catalisadores foram desenvolvidos materiais com bom desempenho para a RRO. Nos estudos da primeira série de catalisadores, notou-se que o material mais ativo foi aquele formado por WC-FeNx/C com 30 % de W/C e 5% de Fe pirolisado a 800 °C. Na segunda série foi observado que os desempenhos dos catalisadores variaram de acordo com o tipo de protocolo de nitretação, presença de ferro e temperatura de tratamento térmico. Em eletrólito alcalino, os eletrocatalisadores apresentaram maiores desempenhos, que resultaram bastante próximos em relação ao do catalisador de Pt dispersa em carbono usado como referência. Na terceira série de eletrocatalisadores investigados, verificou-se que o melhor desempenho obtido foi com o catalisador com carbono Monarch com amônia, cuja atividade catalítica resultou superior à dos demais, devido ao maior número de estruturas ativas FeNx e N/C formadas pelo tratamento com amônia. Os resultados nos meios ácido e alcalino para a primeira e segunda séries de eletrocatalisadores sugerem a ocorrência de um mecanismo indireto (2e- + 2e-), ou seja, em meio ácido (alcalino) primeiro o O2 reduz para H2O2 (HO2 ) e depois de H2O2 (HO2 ) para H2O. Os sítios predominantemente envolvidos na catálise da reação são WC e FeNx em meio ácido e WC e N/C em meio alcalino. Finalmente, para a terceira série de eletrocatalisadores o mecanismo reacional em meio ácido envolve um mecanismo direto de 4e-, com participação importante dos sítios ativos de Fe-N2. / This work aims to investigate low cost electrocatalysts based on tungsten carbide, carbon and iron submitted to different nitriding processes for the catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR) in acid and alkaline electrolytes. The catalysts were divided into three distinct series, the first one comprising those with different tungsten carbide loads with respect to the carbon support, which were impregnated with the Fe2+ (2,4,6-Tris (2-pyridyl) - 1,3,5-triazine)2, [Fe (TPTZ)]2+, complex and treated at two different temperatures, 700 and 800 oC in nitrogen atmosphere. In the second series, the tungsten carbide load (30% W/C, m/m) was kept constant but this mixture was prepared using previously doped carbons using three different sources of nitrogen (HNO3, NH3 and HNO3/NH3); this was followed by the incorporation of the Fe[TPTZ]2+ complex and by the same heat treatments as mentioned above. In the third series, the electrocatalysts were prepared with three carbon types (Vulcan, Ketjenblack and Monarch), to which the Fe[TPTZ]2+ complex was added, followed by heat treatment at 800 °C under nitrogen and then by nitriding using a flow of ammonia at 950 °C. The three series of electrocatalysts synthesized in this work were carefully characterized by infra-red and UV-Visible spectroscopy, x-ray diffraction, transmission electron microscopy, x-ray energy dispersive, Raman spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy. The electrochemical investigations were performed by cyclic voltammetry (CV) and by measurements of steady-state polarization curves for ORR using rotating ring-disc electrode technique, with catalytic materials forming thin films deposited on the disc. In the three catalyst series, materials with good performance for the ORR were developed. In the studies of the first series of catalysts, it was seen that the most active material was that formed by WC-FeNx/C with 30%W/C and 5% Fe pyrolyzed at 800 ° C. In the second series it was observed that the performances of the catalysts varied according to the type of nitriding protocol, presence of iron and temperature of heat treatment. The electrocatalysts showed higher performances in alkaline electrolyte, which were very close to that of a reference Pt/C catalyst. In the third series of electrocatalysts, the best performance was obtained with the Monarch carbon catalyst heat-treated with ammonia, whose catalytic activity was higher than all others, due to the greater number of FeNx and N/C active structures formed by the treatment with ammonia. The results in acidic and alkaline conditions for the first and second series of electrocatalysts suggest the occurrence of an indirect ORR mechanism (2e- + 2e-), that is, in acid (alkaline) media first O2 is reduced to H2O2 (HO2) followed by the reduction of H2O2 (HO2). The active sites predominantly involved in the reaction electrocatalysis are WC and FeNx in acid media and WC e N/C in alcaline media. Finally, for the third series of electrocatalysts, the acidic reaction involves a direct 4e- mechanism, having important participation of the Fe-N2 active sites.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:49:52Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O objetivo do presente trabalho foi à obtenção de aço rápido tipo AISI M2 pela técnica da conformação por “spray” e a avaliação deste, quanto ao seu desempenho quando aplicado como ferramenta de usinagem. O material obtido foi laminado a quente com razões de redução de 50 e 72%, resultando em placas a partir das quais foram confeccionadas pastilhas intercambiáveis para realização de testes de usinagem. O desempenho das pastilhas obtidas a partir do material conformado por “spray” e laminado a quente, foi confrontado com o de pastilhas confeccionadas a partir de material processado convencionalmente (lingotamento convencional), e com material processado pela técnica da metalurgia do pó (MP). As variações do material obtido por conformação por “spray”, assim como também os demais materiais, foram caracterizados química, física, mecânica e microestruturalmente. Adicionalmente, foram realizados testes de usinagem para avaliação de desempenho do material quando submetido a condições reais de trabalho. Os resultados da caracterização dos materiais evidenciaram o potencial da técnica de conformação por “spray”, em possibilitar a obtenção de materiais com boas características e propriedades. Para as condições de processamento, conformação mecânica e de tratamentos térmicos aplicados neste trabalho, às análises dos resultados dos testes de usinagem revelaram um comportamento muito próximo entre todos os materiais de ferramenta utilizados. Procedendo a uma análise mais refinada dos resultados dos testes de usinagem contínua, foi verificado um desempenho ligeiramente superior para o material obtido pela técnica da metalurgia do pó (MP), seguido pelo material obtido pela técnica da metalurgia convencional, o qual apresentou uma vantagem mínima em relação ao obtido pela técnica da conformação por “spray” e laminado com redução de 72%. Por fim, o desempenho inferior ficou por conta do material obtido pela técnica da conformação por “spray” e laminado com redução de 50%, o qual apresentou os maiores valores de desgaste. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Submitted by Marco Antonio Oliveira da Silva (maosilva@ipen.br) on 2017-11-09T11:36:10Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-09T11:36:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Revestimentos superficiais são aplicados à muitas ferramentas de usinagem na indústria metalúrgica com o intuito de melhorar a eficiência de corte e aumentar sua vida útil. Neste trabalho foram realizados testes para remoção do recobrimento de nitreto de titânio alumínio (TiAlN) em pastilhas de carboneto de tungstênio (WC-Co), utilizando um feixe laser de pulsos ultracurtos. Após a determinação dos limiares de dano do filme e do substrato foram ablacionados na superfície do recobrimento, traços utilizando duas condições de ablação. Inicialmente operou-se no regime de baixa fluência do filme, e posteriormente no regime de baixa fluência do substrato, muito abaixo do limiar do filme, aplicando-se alta sobreposição de pulsos. Um sistema de espectroscopia de emissão atômica induzida por laser (LIBS) foi montado para monitoramento dos materiais presentes no plasma gerado pelo laser, porém o sistema não apresentou sensibilidade suficiente para leitura da baixa intensidade do plasma proveniente do processo e não foi utilizado. Após a análise dos traços por microscopia eletrônica, perfilometria óptica e espectroscopia por fluorescência de Raios-X, não foi possível determinar um processo seguro para realizar a remoção seletiva do filme em questão, porém, devido aos dados obtidos e observações dos resultados em alguns traços, novas possibilidades foram levantadas, abrindo a discussão para a realização de trabalhos futuros. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Este trabalho teve como objetivo investigar eletrocatalisadores de baixo custo à base de carbeto de tungstênio, carbono e ferro submetidos a diferentes processos de nitretação quanto à atividade catalítica para reação de redução do oxigênio (RRO) nos eletrólitos ácido e alcalino. Os catalisadores foram divididos em três séries distintas, a primeira compreendendo aqueles onde houve variação da carga de carbeto de tungstênio em relação ao suporte de carbono, que foram impregnados com o complexo Fe2+(2,4,6-Tris(2-piridil)-1,3,5-Triazina)2, [Fe(TPTZ)2]2+ e tratados em duas temperaturas diferentes, 700 e 800 oC em atmosfera de nitrogênio. Na segunda série foi mantida constante a carga de carbeto de tungstênio (30% de W/C, m/m) sendo que esta mescla foi preparada usando carbonos dopados previamente com três fontes distintas de nitrogênio (HNO3, NH3 e HNO3/NH3); isto foi seguido pela incorporação do complexo Fe[TPTZ]2+ e pelos mesmos tratamentos térmicos acima mencionados. Na terceira série, os eletrocatalisadores foram preparados com três tipos de carbonos (Vulcan, Ketjenblack e Monarch), aos quais foi incorporado o complexo Fe[TPTZ]2+, seguido pelo tratamento térmico a 800 °C em atmosfera de nitrogênio e então por dopagem com amônia a 950 °C. As três séries de eletrocatalisadores sintetizados neste trabalho foram cuidadosamente caracterizadas por espectroscopia infra-vermelho e UV-Visível, difratometria de raio-x, microscopia eletrônica de transmissão, energia dispersiva de raios-x, espectroscipia Raman, espectroscopia fotoeletrônica de raios-x. As investigações eletroquímicas foram realizadas por voltametria cíclica (VC) e pelo levantamento de curvas de polarização de estado estacionário para a RRO, usando a técnica de eletrodo de disco/anel rotatório, com materiais catalíticos formando filmes finos depositados no eletrodo de disco. Nas três séries de catalisadores foram desenvolvidos materiais com bom desempenho para a RRO. Nos estudos da primeira série de catalisadores, notou-se que o material mais ativo foi aquele formado por WC-FeNx/C com 30 % de W/C e 5% de Fe pirolisado a 800 °C. Na segunda série foi observado que os desempenhos dos catalisadores variaram de acordo com o tipo de protocolo de nitretação, presença de ferro e temperatura de tratamento térmico. Em eletrólito alcalino, os eletrocatalisadores apresentaram maiores desempenhos, que resultaram bastante próximos em relação ao do catalisador de Pt dispersa em carbono usado como referência. Na terceira série de eletrocatalisadores investigados, verificou-se que o melhor desempenho obtido foi com o catalisador com carbono Monarch com amônia, cuja atividade catalítica resultou superior à dos demais, devido ao maior número de estruturas ativas FeNx e N/C formadas pelo tratamento com amônia. Os resultados nos meios ácido e alcalino para a primeira e segunda séries de eletrocatalisadores sugerem a ocorrência de um mecanismo indireto (2e- + 2e-), ou seja, em meio ácido (alcalino) primeiro o O2 reduz para H2O2 (HO2 ) e depois de H2O2 (HO2 ) para H2O. Os sítios predominantemente envolvidos na catálise da reação são WC e FeNx em meio ácido e WC e N/C em meio alcalino. Finalmente, para a terceira série de eletrocatalisadores o mecanismo reacional em meio ácido envolve um mecanismo direto de 4e-, com participação importante dos sítios ativos de Fe-N2. / This work aims to investigate low cost electrocatalysts based on tungsten carbide, carbon and iron submitted to different nitriding processes for the catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR) in acid and alkaline electrolytes. The catalysts were divided into three distinct series, the first one comprising those with different tungsten carbide loads with respect to the carbon support, which were impregnated with the Fe2+ (2,4,6-Tris (2-pyridyl) - 1,3,5-triazine)2, [Fe (TPTZ)]2+, complex and treated at two different temperatures, 700 and 800 oC in nitrogen atmosphere. In the second series, the tungsten carbide load (30% W/C, m/m) was kept constant but this mixture was prepared using previously doped carbons using three different sources of nitrogen (HNO3, NH3 and HNO3/NH3); this was followed by the incorporation of the Fe[TPTZ]2+ complex and by the same heat treatments as mentioned above. In the third series, the electrocatalysts were prepared with three carbon types (Vulcan, Ketjenblack and Monarch), to which the Fe[TPTZ]2+ complex was added, followed by heat treatment at 800 °C under nitrogen and then by nitriding using a flow of ammonia at 950 °C. The three series of electrocatalysts synthesized in this work were carefully characterized by infra-red and UV-Visible spectroscopy, x-ray diffraction, transmission electron microscopy, x-ray energy dispersive, Raman spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy. The electrochemical investigations were performed by cyclic voltammetry (CV) and by measurements of steady-state polarization curves for ORR using rotating ring-disc electrode technique, with catalytic materials forming thin films deposited on the disc. In the three catalyst series, materials with good performance for the ORR were developed. In the studies of the first series of catalysts, it was seen that the most active material was that formed by WC-FeNx/C with 30%W/C and 5% Fe pyrolyzed at 800 ° C. In the second series it was observed that the performances of the catalysts varied according to the type of nitriding protocol, presence of iron and temperature of heat treatment. The electrocatalysts showed higher performances in alkaline electrolyte, which were very close to that of a reference Pt/C catalyst. In the third series of electrocatalysts, the best performance was obtained with the Monarch carbon catalyst heat-treated with ammonia, whose catalytic activity was higher than all others, due to the greater number of FeNx and N/C active structures formed by the treatment with ammonia. The results in acidic and alkaline conditions for the first and second series of electrocatalysts suggest the occurrence of an indirect ORR mechanism (2e- + 2e-), that is, in acid (alkaline) media first O2 is reduced to H2O2 (HO2) followed by the reduction of H2O2 (HO2). The active sites predominantly involved in the reaction electrocatalysis are WC and FeNx in acid media and WC e N/C in alcaline media. Finally, for the third series of electrocatalysts, the acidic reaction involves a direct 4e- mechanism, having important participation of the Fe-N2 active sites.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:51:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 11328.pdf: 13067508 bytes, checksum: 886d399df69a8146f0353092e99aa16a (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:51:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 11328.pdf: 13067508 bytes, checksum: 886d399df69a8146f0353092e99aa16a (MD5) / O objetivo deste trabalho foi desenvolver potenciais materiais para aplicações automotivas, em particular como insertos para assento de válvula em motores de combustão interna à gasolina. O desenvolvimento compreendeu as etapas de processamento dos materiais via metalurgia do pó, tratamento térmico, caracterização microestrutural e mecânica, usinagem e desgaste dos mesmos. O desenvolvimento objetivou principalmente a redução de custo e a aplicação de elementos menos poluentes, excluindo-se, por exemplo, a aplicação do Co devido ao seu alto custo e do Pb devido aos seus efeitos toxicológicos e prejudiciais ao meio ambiente. A realização de uma pesquisa minuciosa na busca de patentes relacionadas indicou que os materiais estudados apresentam composições particulares, e, portanto inéditas. Os resultados encontrados nos ensaios de dureza e de resistência à compressão radial nas amostras tratadas termicamente apresentaram resultados superiores aos da liga comercial atualmente em uso. Testes de usinabilidade em amostras sem tratamento térmico apresentaram comportamento similar ao da liga comercial, indicando que a usinabilidade do material praticamente não foi afetada com a mudança na composição química. Após a etapa de tratamento térmico, as ligas obtidas apresentaram valores de esforços de corte superiores aos do material comercial. Os resultados dos testes de desgaste abrasivo em amostras tratadas termicamente apresentaram menores valores de coeficientes de atrito e perda de massa em todos os casos em relação ao material comercial. Este comportamento é devido aos benefícios introduzidos pelo tratamento térmico executado e pela adição de alguns elementos resistentes ao desgaste na forma de carbonetos de Nb e Ti/W. Os resultados dos esforços de corte apresentaram boa concordância com os resultados dos ensaios de desgaste. Os materiais produzidos apresentam-se como potenciais candidatos para substituir, com vantagens, inserto para assento de válvula a base de Fe-Co em motores de combustão interna a gasolina. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP