Os eletrocatalisadores Pd/C, Pd/C-15%ATO, PdAu/C-15%ATO (90:10, 70:30 e 50:50), PdIr/C-15%ATO (90:10, 70:30 e 50:50) e PdAuIr/C-15%ATO (90:5:5, 70:20:10 e 50:45:5) foram preparados pelo método de redução por borohidreto de sódio. Esses eletrocatalisadores foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET), enquanto que as atividades eletrocatalíticas para a oxidação eletroquímica do ácido fórmico em meios ácido e alcalino foram investigadas por voltametria cíclica, cronoamperometria e experimentos em células a combustível de ácido fórmico direto (DFAFC) em meios ácido e alcalino a 100 ºC e 60 ºC, respectivamente. Os difratogramas de raios X dos eletrocatalisadores PdAu/C-15%ATO, PdIr/C-15%ATO e PdAuIr/C-15%ATO mostraram a presença de fase de estrutura cúbica de Pd (cfc), ligas de Pd-Au, Pd-Ir e Pd-Au-Ir, fases de carbono e SnO2. As micrografias eletrônicas de transmissão indicaram que as nanopartículas foram bem distribuídas sobre o suporte C-ATO e apresentaram alguns aglomerados. Os estudos eletroquímicos para oxidação de ácido fórmico foram realizados utilizando a técnica de camada fina porosa. Todos os eletrocatalisadores preparados foram testados em células a combustível unitárias alimentadas diretamente por ácido fórmico. Nos estudos comparativos entre os melhores eletrocatalisadores, o eletrocatalisador PdAuIr/C-15%ATO (50:45:5) em meios ácido e alcalino apresentou uma atividade eletrocatalítica superior para a oxidação eletroquímica do ácido fórmico em temperatura ambiente em comparação com o eletrocatalisador Pd/C-15%ATO e os outros eletrocatalisadores binários e ternários preparados. Os experimentos em uma DFAFC unitária ácida e alcalina, também, indicaram que o eletrocatalisador PdAuIr/C-15%ATO (90:5:5) apresentou melhor desempenho para oxidação eletroquímica do ácido fórmico a 100 ºC (meio ácido) e a 60 ºC (meio alcalino), respectivamente, em comparação com os demais eletrocatalisadores sintetizados. Esses resultados indicaram que a adição de Au e Ir ao Pd favorece a oxidação eletroquímica do ácido fórmico, esse efeito pode ser atribuído ao mecanismo bifuncional (a presença de ATO (Sb2O5·SnO2), óxidos de Au e Ir) associados ao efeito eletrônico (ligas de Pd-Au-Ir (cfc)). / Pd/C, Pd/C-15%ATO, PdAu/C-15%ATO (90:10, 70:30 e 50:50), PdIr/C-15%ATO (90:10, 70:30 e 50:50) and PdAuIr/C-15%ATO (90:5:5, 70:20:10 e 50:45:5) electrocatalysts were prepared by sodium borohydride reduction method. These electrocatalysts were characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and the electrocatalytic activity toward formic acid electrochemical oxidation in acid and alkaline media was investigated by cyclic voltammetry (CV), chroamperometry (CA) and experiments on direct formic acid fuel cell (DFAFC) at 100 ºC and 60 ºC, respectively. X-ray diffractograms of PdAu/C-15%ATO, PdIr/C-15%ATO and PdAuIr/C-15%ATO electrocatalysts showed the presence of Pd (fcc) phase, Pd-Au, Pd-Ir and Pd-Au-Ir alloys, carbon and SnO2 phases. TEM micrographs indicated that the nanoparticles were well distributed on the C-ATO support and showed some agglomerates. The electrochemical studies for the formic acid oxidation were performed using a thin porous coating technique. All the electrocatalysts prepared were tested in single fuel cells directly fed with acid formic. The PdAuIr/C-15%ATO (50:45:5) electrocatalyst in acid and alkaline media showed the higher electrocatalytic activity for acid formic electro-oxidation at room temperature compared to the Pd/C-15%ATO and others binary and ternary electrocatalysts prepared. The experiments in an acid and alkaline single DFAFC also showed that PdAuIr/C-15%ATO (90:5:5) electrocatalyst exhibited higher performance for formic acid oxidation at 100 ºC and 60 ºC, respectively, in comparison with the others electrocatalysts synthesized. These results indicated that the addition of Au and Ir to Pd promote the formic acid electrochemical oxidation, which could be attributed to the bifunctional mechanism (the presence of ATO (Sb2O5·SnO2), Au and Ir oxides species) associated to the electronic effect (Pd-Au-Ir alloys (fcc)).

Orientador: Nelson Henrique Morgon / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T17:33:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_JoseCarlosBarretode_M.pdf: 1046152 bytes, checksum: 5cac61f65804d91e30491970eb62e5a9 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O principal objetivo deste trabalho foi analisar quatro mecanismos teóricos para a redução (em fase gasosa) do ácido acético a etanol. Foi empregado NaBH4 na presença de um eletrófilo (H2SO4). Todos os cálculos foram realizados com a teoria CBS-QB3 usando o programa Gaussian 98. Foi observado que esta metodologia teve sucesso em predizer afinidades por próton e por elétron em um custo computacional mais baixo. A comparação entre seis teorias (CBS-4M, CBS-QB3, G2(MP2), G3(MP2), G2 e G3) usando uma análise estatística através do valor médio, do desvio padrão e da raíz média quadrática, mostrou um desempenho melhor da teoria CBS-QB3 para obter as propriedades. Uma metodologia geral foi proposta baseada nos resultados teóricos para as propriedades estruturais (comprimento do ângulo e da ligação) e termodinâmicas (variação da energia livre e da entalpia). As estruturas obtidas para mínimo local e para estados de transição na superfície da energia livre foram analisadas, bem como a consideração de efeitos solventes com um modelo contínuo (PCM) / Abstract: The main objective of this work was to analyze four theoretical mechanisms to the reduction (in gas-phase) of acetic acid to ethanol. It was employed NaBH4 in presence of an electrophile (H2SO4). All the calculations were carried out at CBSQB3 method using the Gaussian 98 program. It was found that this methodology suceeds in predicting proton and electron anities at a lower computational cost. The comparison among six theories (CBS-4M, CBS-QB3, G2(MP2), G3(MP2), G2 and G3) using statistical analysis, evaluating average value, standard deviation and root-mean-square, showed a better performance of CBS-QB3 to obtain the properties. A general methodology was proposed based on the theoretical results of structural (angle and bond length) and thermodynamics (enthalpy and free energy variation) properties. Structures of minimum and transistion states on the free energy surface were analyzed, and the inclusion of solvent effects with a continuum model (PCM) / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

Compostos com alto conteúdo de hidrogênio, tais como hidrazina (N2H4) e íons borohidreto (BH4-), apresentam grande potencialidade como combustíveis em células a combustível ou em reformadores eletroquímicos para a geração de hidrogênio, uma vez que apresentam alta densidade de energia. Além disso, as reações de eletro-oxidação dessas espécies podem ser catalisadas por metais não nobres como Ni e Co, em eletrólito alcalino. Dessa forma, este projeto de pesquisa teve como objetivo a síntese e a investigação da atividade eletrocatalítica de eletrocatalisadores formados por nanopartículas de níquel e cobalto e por níquel em combinação com outro metal também ativo, como a platina, representados genericamente por NiO/C, Co3O4/C NiO-Pt/C, para a eletro-oxidação de hidrazina e de íons borohidreto. Os resultados eletroquímicos mostraram maiores atividades eletrocatalíticas, tanto para a eletro-oxidação de hidrazina quanto para íons borohidreto, para Co3O4/C em relação ao NiO/C, mas evidenciaram maior estabilidade para NiO/C. Tanto para NiO/C como para NiO-Pt/C, os experimentos mostraram que, em potenciais logo acima do de circuito aberto, a atividade eletrocatalítica origina-se da coexistência de espécies de Ni0 ou Pt0 e Ni-OH superficiais, onde a reação de eletro-oxidação de hidrazina é catalisada com efeito sinérgico bifuncional relacionado ao acoplamento de Ni-H ou Pt-H, gerado pela adsorção dissociativa de hidrazina (ou borohidreto), e Ni-OH, gerado pela descarga de OH- em baixos potenciais. Em altos sobrepotenciais, as correntes faradaicas aumentam significativamente e, para as duas reações, é proposto uma mecanismo de mediação de elétrons, no qual a hidrazina ou os íons borohidreto reduzem quimicamente o óxido de níquel ou de cobalto, com a geração de produtos destes combustíveis, e isto é seguido pela eletro-oxidação do metal, induzido pelo alto potencial do eletrodo, fechando o ciclo de mediação. Resultados de experimentos de DEMS online (Differential Electrochemical Mass Spectrometry), tanto para NiO/C ou Co3O4/C, quanto para NiO-Pt/C (somente para hidrazina neste caso), mostraram que as correntes faradaicas são seguidas pela geração do produto principal (N2 para o caso de hidrazina; BO2- para o borohidreto, sendo que este último não pode ser detectado por DEMS) em baixos sobrepotenciais e, em altos sobrepotenciais, o sinal do produto principal é acompanhado pelos sinais de H2 e de NH3, com comportamento similar. Este resultado evidencia que a reação de eletro-oxidação completa de hidrazina ou de íons borohidreto ocorre em maior extensão somente em baixos sobrepotenciais, sendo que, em altos sobrepotenciais, onde se tem a formação de óxidos de níquel ou de cobalto, as reações operam em maior extensão por vias incompletas de eletro-oxidação, para as quais tem-se a mediação de elétrons como mecanismo reacional. / High hydrogen content compounds, such as hydrazine (N2H4) and borohydride ion (BH4-) exhibit high prospect as fuel for fuel cells or electrochemical reformers for hydrogen generation, since they present high energy density. Moreover, their electro-oxidation reactions can be catalyzed on non-noble electrocatalysts, such as Ni and Co, in alkaline electrolyte. In this way, this project aimed the synthesis and the investigation of the electro-catalytic activity of nickel, cobalt and nickel/platinum nanoparticles based electrocatalysts, named as NiO/C, Co3O4/C and NiO-Pt/C, for hydrazine and borohydride electro-oxidation reactions. Electrochemical results showed high electrocatalytic activity of Co3O4/C for both reactions, (hydrazine and borohydride electro-oxidation), however NiO/C showed more stability. For both NiO/C and or NiO-Pt/C, the experiments showed that under potentials slightly above the open-circuit potential, the electrocatalytic activity comes from the co-existence of Ni0, Pt0 and Ni-OH on the surface. The hydrazine electro-oxidation reaction is catalyzed by a bi-functional synergistic effect related to the Ni-H or Pt-H coupling generated from dissociative adsorption of hydrazine (or borohydride), and Ni-OH, produced by OH- discharge in low potentials. In high overpotentials, the faradaic currents increase significantly for both reactions. An electron-mediated mechanism is proposed for this condition, where the hydrazine or borohydride ions reduces chemically the nickel or cobalt oxide, producing the reaction products from these fuels and, this is followed by the metal electro-oxidation, induced by the high potential of the electrode, completing the mediation cycle. For all electrocatalysts (only hydrazine for NiO-Pt/C), online DEMS (Differential Electrochemical Mass Spectrometry) results showed that the faradaic currents keep up with by the generation of the main product, in low potentials (N2 for hydrazine and BO2- for borohydride, but this last one cannot be detected by DEMS). In high overpotentials, the main product signal is followed by the signals, with similar behavior, of H2 and NH3. This result evidences that the complete hydrazine and borohydride electro-oxidation reactions preferentially occur in low overpotentials, whereas, in high overpotentials, when the nickel or cobalt oxides are present, the reactions occurs preferentially by incomplete pathways, in an electron-mediated mechanism.

Os cações são importantes recursos pesqueiros que podem apresentar concentrações de mercúrio (Hg) e arsênio (As) muitas vezes acima do limite de tolerância, o que os tornam impróprios como alimento. No meio aquático estes contaminantes são convertidos em espécies orgânicas, em especial metilmercúrio (MeHg) e arsenobetaína (AB), respectivamente. O MeHg é neurotóxico, sendo o sistema nervoso em desenvolvimento o mais susceptível. A AB é pouco tóxica, no entanto, o As inorgânico está envolvido em processos de estresse oxidativo, mutagênese e principalmente carcinogênese. Neste trabalho, foi avaliada a eficiência da cisteína na remoção de Hg, a ocorência de As total e inorgânico, e a redução de sua concentração com o emprego de borohidreto de sódio e de preparos para o consumo. A redução máxima de Hg, de 59,4%, com cisteína a 0,5% em pH 5,0, não foi reproduzida quando pretendida a reutilização da solução do aminoácido, importante do ponto de vista prático. O cação-azul continha elevados níveis de As total, 1,98 a 22,56 µg/g (base úmida), que foram removidos com borohidreto de sódio em 99%, demonstrando a alta potencialidade do método usado. O As inorgânico, presente na quantidade média de 0,0086 µg/g (base úmida), foi reduzido em 27,7%. O preparo para o consumo, por cozimento em água, do cação-azul em cubos (1-2 cm3), resultou em maior remoção de As total, de 65,9 a 71,2%; no cação grelhado a redução foi de 55,4 a 60,2%. As amostras, grelhadas ou cozidas, adicionadas de sal e limão enriquecido com ácido ascórbico, e as grelhadas contendo sal e sal com limão, apresentaram redução na concentração de As inorgânico de 30,1 a 42,8%. / The shark are important fishery resources that may have concentrations of mercury (Hg) and arsenic (As) often above the limit of tolerance, which makes them unsuitable as food. In the aquatic environment these contaminants are converted to organic species, particularly methylmercury (MeHg) and arsenobetaína (AB), respectively. The MeHg is neurotoxic, and the developing nervous system more susceptible. AB is slightly toxic, however, the inorganic As is involved in processes of oxidative stress, mutagenesis and carcinogenesis mainly. In this study, we evaluated the efficiency of cysteine to remove mercury, the occurrence of the total and inorganic As, and the reduction of their concentration with the use of sodium borohydride and preparations for consumption. The maximum reduction of Hg, 59.4%, with 0.5% cysteine at pH 5.0, was not reproduced when you want to reuse the solution of the amino acid, important practical point of view. The blue-shark contained high levels of the total As, 1.98 to 22.56 µg/g (wet weight), which were removed with sodium borohydride in 99%, demonstrating the high potential of the method used. The inorganic As, present in the average amount of 0.0086 µg/g (wet weight) was reduced in 27.7%. Preparation for consumption by baking in water, the blue-shark into cubes (1-2 cm3) resulted in greater removal of the total As, 65.9 to 71.2%; in the grilled shark the reduction was 55,4 to 60.2%. The samples, grilled or baked, added salt and lemon enriched with ascorbic acid, and the grilled containing salt and salt with lemon, presented reduction in the concentrations of inorganic As from 30.1 to 42.8%.

Os cações são importantes recursos pesqueiros que podem apresentar concentrações de mercúrio (Hg) e arsênio (As) muitas vezes acima do limite de tolerância, o que os tornam impróprios como alimento. No meio aquático estes contaminantes são convertidos em espécies orgânicas, em especial metilmercúrio (MeHg) e arsenobetaína (AB), respectivamente. O MeHg é neurotóxico, sendo o sistema nervoso em desenvolvimento o mais susceptível. A AB é pouco tóxica, no entanto, o As inorgânico está envolvido em processos de estresse oxidativo, mutagênese e principalmente carcinogênese. Neste trabalho, foi avaliada a eficiência da cisteína na remoção de Hg, a ocorência de As total e inorgânico, e a redução de sua concentração com o emprego de borohidreto de sódio e de preparos para o consumo. A redução máxima de Hg, de 59,4%, com cisteína a 0,5% em pH 5,0, não foi reproduzida quando pretendida a reutilização da solução do aminoácido, importante do ponto de vista prático. O cação-azul continha elevados níveis de As total, 1,98 a 22,56 µg/g (base úmida), que foram removidos com borohidreto de sódio em 99%, demonstrando a alta potencialidade do método usado. O As inorgânico, presente na quantidade média de 0,0086 µg/g (base úmida), foi reduzido em 27,7%. O preparo para o consumo, por cozimento em água, do cação-azul em cubos (1-2 cm3), resultou em maior remoção de As total, de 65,9 a 71,2%; no cação grelhado a redução foi de 55,4 a 60,2%. As amostras, grelhadas ou cozidas, adicionadas de sal e limão enriquecido com ácido ascórbico, e as grelhadas contendo sal e sal com limão, apresentaram redução na concentração de As inorgânico de 30,1 a 42,8%. / The shark are important fishery resources that may have concentrations of mercury (Hg) and arsenic (As) often above the limit of tolerance, which makes them unsuitable as food. In the aquatic environment these contaminants are converted to organic species, particularly methylmercury (MeHg) and arsenobetaína (AB), respectively. The MeHg is neurotoxic, and the developing nervous system more susceptible. AB is slightly toxic, however, the inorganic As is involved in processes of oxidative stress, mutagenesis and carcinogenesis mainly. In this study, we evaluated the efficiency of cysteine to remove mercury, the occurrence of the total and inorganic As, and the reduction of their concentration with the use of sodium borohydride and preparations for consumption. The maximum reduction of Hg, 59.4%, with 0.5% cysteine at pH 5.0, was not reproduced when you want to reuse the solution of the amino acid, important practical point of view. The blue-shark contained high levels of the total As, 1.98 to 22.56 µg/g (wet weight), which were removed with sodium borohydride in 99%, demonstrating the high potential of the method used. The inorganic As, present in the average amount of 0.0086 µg/g (wet weight) was reduced in 27.7%. Preparation for consumption by baking in water, the blue-shark into cubes (1-2 cm3) resulted in greater removal of the total As, 65.9 to 71.2%; in the grilled shark the reduction was 55,4 to 60.2%. The samples, grilled or baked, added salt and lemon enriched with ascorbic acid, and the grilled containing salt and salt with lemon, presented reduction in the concentrations of inorganic As from 30.1 to 42.8%.