Células a combustível de etanol direto (DEFCs) apresentam um grande potencial como tecnologia para produzir energia limpa, especialmente por fornecer uma eficiente conversão do combustível com baixa emissão de poluentes. Esses tipos de células a combustível operam em baixas temperaturas e convertem diretamente energia química em eletricidade. O etanol apresenta uma grande vantagem com relação ao seu uso, visto que o Brasil pode produzir etanol a partir da cana de açúcar a preços extremamente competitivos. Uma desvantagem é que as DEFC operam à baixa temperatura o que torna as reações de oxidação e redução mais lentas, necessitando de eletrocatalisadores capazes de acelerar essas reações. Eletrocatalisadores a base de Pt são os mais indicados. O presente trabalho tem como objetivo investigar a síntese de ligas binárias e ternárias à base de Pt, Sn e Ni suportadas em carbono Vulcan XC72R. As ligas foram sintetizadas pelo método de impregnação/redução empregando etilenoglicol como agente redutor. As técnicas de caracterização empregadas foram Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford (RBS), Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução (HRTEM), Voltametria Cíclica e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE). Os ensaios eletroquímicos mostraram, que a adição de estanho e níquel à platina melhora sua atividade catalítica. Além disso, observou-se que a adição de estanho provocou a dilatação do retículo cristalino, enquanto que a adição de níquel provocou a contração do mesmo. A contração do retículo cristalino pode contribuir para uma redução no envenenamento de platina por espécies intermediárias provenientes da eletro-oxidação do etanol, e um conseqüente aumento da atividade catalítica frente à oxidação do etanol. / Direct ethanol fuel cells (DEFCs) show a wide potential as technology to produce clean energy, especially for provide an efficient fuel conversion with low pollutants emission. These are systems that operate at low temperatures and convert chemical energy directly into electricity. Ethanol presents a great advantage in respect to its use, since Brazil can produce ethanol from sugar cane at extremely competitive prices. A disadvantage is that the DEFC operate at low temperature, which makes the oxidation and reduction reactions slower, requiring electrocatalysts able to accelerate these reactions. Pt-based electrocatalysts are the most suitable. The present work aims to investigate the synthesis of binary and ternary alloys based on Pt-Sn-Ni supported on carbon Vulcan XC72R. The alloys were synthesized by the impregnation/reduction method using ethylene glycol as reducing agent. The characterization techniques employed were Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS), X-ray Diffraction (XRD), High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), Cyclic Voltammetry (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The electrochemical tests showed, as expected, that the addition of tin and nickel to platinum improves its catalytic activity. In addition, it was observed that the addition of tin led to the expansion of the crystalline lattice, while the addition of nickel resulted in it contraction. The contraction of crystalline lattice contribute to a reduction in platinum poisoning by intermediate species coming from ethanol electrooxidation, and a consequent increase in catalytic activity toward ethanol.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2017-03-06T17:14:24Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2409545 bytes, checksum: eea1125b8767349dd3e6cb5ca21c8680 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T17:14:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2409545 bytes, checksum: eea1125b8767349dd3e6cb5ca21c8680 (MD5) Previous issue date: 2004-12-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com o desenvolvimento dos carros de combustível “flex” e o preço do petróleo em alta o consumo de combustível a álcool está apontando para uma mesma direção. Seguindo este padrão crescente, o Brasil pode facilmente abastecer, com exportações, parte da demanda internacional para “combustíveis limpos”. Apesar de ter a tecnologia para produção e utilização de álcool em grandes destilarias, pouco é sabido sobre produção de álcool em termos de fazendas no Brasil. Por causa do tamanho das fazendas, os fazendeiros brasileiros têm capacidade para produzir o próprio combustível em quantidade suficiente para abastecer as demandas das fazendas e até mesmo vender o excesso produzido. A produção de álcool torna possível a geração de energia para todas as operações da fazenda, inclusive energia térmica e iluminação, aumentando a renda das propriedades familiares. Esta pesquisa tem como objetivo a análise de um sistema de evaporador contínuo para produção de álcool a ser usado em termos de fazenda. Para testar a eficiência do protótipo em destilação contínua de álcool, foram realizados experimentos com diferentes taxas de fluxo da solução, como também diferentes conteúdos de álcool na solução (15 % e 50 %). Devido à impossibilidade de se produzir a solução tradicionalmente fermentada, utilizou-se uma solução hidroalcoólica com 15 % álcool para simular o vinho de cana-de-açúcar. Outra solução com 50 % de álcool foi usada para simular o retificado de um destilado de cana-de- açúcar ou os resíduos da cachaça (cabeça e cauda da destilação). Se utilizada pelo tradicional produtor brasileiro de cachaça, a produção de combustível a partir dos resíduos da cachaça contribuirá, significativamente, para a redução de perdas e para a melhoria da qualidade da bebida. O programa desenvolvido para simular o processo de destilação determina: (1) o total de álcool evaporado durante o processo; (2) a concentração do álcool produzido; (3) a taxa de fluxo líquida em cada compartimento do evaporador; (4) a concentração de álcool em cada compartimento do evaporador; e (5) a taxa de transferência de calor no evaporador. A eficiência do programa foi avaliada pelo erro relativo percentual em dois parâmetros: taxa de fluxo de álcool evaporado e concentração do álcool produzido para os casos testados experimentalmente. Os erros relativos médios envolvidos na taxa de fluxo e concentração de álcool produzido foram 19,6 e 30,8, respectivamente. Os erros na taxa de fluxo em cinco casos ficaram abaixo de 10 %, enquanto em termos das concentrações de álcool, também em cinco casos, os erros ficaram abaixo de 15 %. / With the development of "flex fuel" cars and the rising of petroleum price, the alcohol fuel consumption is pointing to the same direction. Following the growing pattern, Brazil can easily supply, with exportations, part of the international demand for "clean" fuels. In spite of having the know-how for alcohol production and utilization in big distillation plants, little is known about alcohol production at farm level in Brazil. Because of farm size, Brazilian farmers have the capacity to produce their own fuel in sufficient amount to attend the farm demands and even to sell the excess produced. For family farms, the alcohol production makes energy supply possible for all farm operations including thermal energy and illumination, increasing the farm income. The objective of this research was to analyze a continuous evaporator system for alcohol production to be used at farm level. In order to test the prototype efficiency in continuous distillation of alcohol, experiments were accomplished with different solution flow rates as well as different alcohol content in the solution (15 % and 50 %). Due to the impossibility for producing the traditionally fermented solution, the sugar cane wine was simulated with a hydro alcoholic solution with 15 % alcohol. The solution with 50 % alcohol was used to simulate the rectifying of a low proof distilled from sugar cane or liquor sub product (head and tail from distillation). If utilized by the traditional Brazilian liquor (cachaça) producer, the production of alcohol fuel from the residues will contribute significantly for loss reduction and improvement of liquor quality. The developed program to simulate the distillation process determines: (1) the total amount of alcohol evaporated during the process; (2) the concentration of produced alcohol; (3) the liquid flow rate in each evaporator compartment; (4) the concentration of alcohol in each evaporator compartment and (5) the rate of heat transfer in the evaporator. The program efficiency was evaluated by percent relative error in two parameters: flow rate of evaporated alcohol and concentration of the produced alcohol for the cases tested experimentally. The average percent relative errors involved in the flow rate and concentration of produced alcohol were 19.6 and 30.8, respectively. The errors in the flow rate of five cases were lower than 10 %, while, in terms of the alcohol concentrations in 5 cases were lower than 15 %. / Tese importada do Alexandria

As células a combustível do tipo PEMFC necessitam de alta durabilidade, eficiência e custo baixo de produção para que tenham aplicação prática. Um dos componentes da célula denominado MEA (Membrane Electrode Assembly) é composto por uma membrana trocadora de prótons e por camadas de difusão gasosa (CDG) que devem ser altamente condutores, porosos e hidrofóbicos. CDGs com alta hidrofobicidade são geralmente preparadas com revestimentos à base de Nafion® e PTFE (politetrafluoretileno) sobre a superfície do substrato (polímero reforçado com fibra/papel de carbono). No entanto, alguns estudos têm demonstrado que o desempenho das CDG’s tende a diminuir com o aumento de PTFE na superfície. O presente trabalho apresenta um método de tratamento superficial através de modificação assistida por radiação UV na presença do agente hidrofóbico Trimetóxipropilsilano (TMPSi). Foram realizadas modificações superficiais inserindo grupos hidrofóbicos na superfície da CDG por meio da imersão da mesma em H2O2 10% por 2 minutos, seguida da irradiação (254 nm) na presença de TMPSi por 60 e 120 min. Aplicou-se também um tratamento térmico a 80 °C por 120 minutos após a irradiação. As amostras foram caracterizadas quanto à molhabilidade por monitoramento do ângulo de contato (WCA - water contact angle), que evidenciou um aumento de aproximadamente 30° no WCA para as amostras. Análises de FTIR-ATR evidenciaram a evolução das ligações químicas realizadas na superfície do polímero e medidas de condutividade elétrica mostraram que houve um decréscimo menor com o tratamento superficial por foto-funcionalização hidrofóbica do que com os tratamentos a base de PTFE. Os resultados evidenciaram a eficiência do tratamento proposto para a produção de CDGs hidrofóbicas em alternativa aos tratamentos convencionais com PTFE e a um custo reduzido. / The PEMFC type fuel cell requires high durability, efficiency and low production cost to achieve wide-spread practical application. One of the components of the cell, called MEA (Membrane Electrode Assembly), comprises a proton exchange membrane and gas diffusion electrodes (GDL) that must be highly conductive, porous and hydrophobic. The highly hydrophobic GDL are usually prepared with coatings based on PTFE (polytetrafluoroethylene) on the surface of the substrate (fiber reinforced polymer/carbon paper), even though some studies have shown that the performance of CDG's tends to decrease with increasing PTFE surface. This work focuses on a surface treatment method assisted by UV radiation in the presence of a hydrophobic agent (trimetoxipropylsilane - TMPSi). Surface modifications were carried out by inserting hydrophobic groups on the surface of CDG by its immersion on 10% H2O2 solution for 2 min, followed by irradiation (254 nm) in the presence of TMPSi for 60 and 120 min. A heat treatment, 80 °C for 120 min, was also applied after irradiation. The samples were characterized, among others, by WCA (water contact angle) which showed an increase of nearly 30°, whereas FTIR-ATR showed change in chemical bonds on the polymer surface. Conductivity measurements showed higher values with the hydrophobic photo-functionalization surface treatment than the treatments based on PTFE. The results evidenced the effectiveness of the proposed treatment for the production of hydrophobic CDGs as an alternative to conventional PTFE treatments and at low cost.

A presente tese de doutorado visou primeiramente em otimizar a metodologia denominada Transesterification Double Step Process (TDSP) para a produção de biodiesel. O biodiesel foi produzido a partir de óleo de soja, pela rota metílica, empregando diferentes condições reacionais a partir do planejamento experimental Doehlert. O produto foi caracterizado por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogênio (RMN 1H) o que permitiu também o cálculo da conversão do material de partida em biodiesel. Foram utilizados ainda gráficos de probabilidade normal e de superfícies de resposta para avaliar a influência das variáveis consideradas no planejamento, como a quantidade de catalisador e o volume de metanol, além da temperatura e tempo de reação. Para a etapa da catálise básica da reação a melhor conversão foi obtida utilizando-se 0,40 g de catalisador e 60 mL de metanol enquanto para a catálise ácida a condição inicial com temperatura de 65 ºC e tempo de reação de 90 minutos utilizada no método TDSP se manteve como a melhor condição de reação. Em um segundo momento, foram produzidos conjuntos de amostras de gasolina e etanol, com amostras adulteradas e não-adulteradas, que foram caracterizados através de RMN 1H e de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier com acessório de reflectância total atenuada (FTIR-ATR), para posterior aplicação de ferramentas quimiométricas aos dados espectroscópicos gerados. Aos dados de RMN 1H foram aplicados modelos não supervisionados como a análise por agrupamentos hierárquicos (HCA) e a análise por componentes principais (PCA), modelos supervisionados como a análise discriminante empregando mínimos quadrados parciais (PLS-DA) e de regressão multivariada por mínimos quadrados parciais (PLS). HCA e PCA apresentaram uma tendência de separação entre as amostras adulteradas e não adulteradas. Além disso, o modelo PLS-DA foi capaz de classificar corretamente todas as amostras para ambas as classes. Já o algoritmo PLS apresentou um excelente modelo de regressão para quantificar o Diesel como adulterante da gasolina com valor de RMSECV igual a 2,32% (v/v), RMSEP igual a 1,42% (v/v) e R2 igual a 0,992. Por fim, com os dados de infravermelho foram aplicados além de modelos por HCA, PCA, PLS e PLS-DA, modelos de regressão por máquinas de vetores de suporte (SVM) e de classificação com análise discriminante (SVM-DA) e cartas de controle multivariadas (CCM) também para avaliação de adulteração desses combustíveis. Para os modelos com base nos dados de infravermelho, no geral, todos os resultados mostraram que tais modelos são ótimas alternativas para distinguir as amostras adulteradas das não-adulteradas para os combustíveis estudados. Para as amostras de gasolina ambos modelos de classificação PLS-DA e SVM-DA apresentaram sensibilidade e especificidade máximas, o que não ocorreu para os modelos com as amostras de etanol. O modelo quantitativo de PLS para as amostras de etanol apresentou valor de RMSECV igual a 1,721 % (m/m), RMSEP igual a 0,859 % (m/m) e R2 igual a 0,985, enquanto o modelo PLS para as amostras de gasolina apresentou valor de RMSECV igual a 0,832 % (v/v), RMSEP igual a 0,543 % (v/v) e R2 igual a 0,998. O modelo quantitativo de SVM para as amostras de etanol apresentou valor de RMSECV igual a 1,056 % (m/m), RMSEP igual a 0,379 % (m/m) e R2 igual a 0,999, enquanto o modelo SVM para as amostras de gasolina apresentou valor de RMSECV igual a 1,084 % (v/v), RMSEP igual a 0,571 % (v/v) e R2 igual a 0,997. / The present doctoral thesis aimed first optimizing the methodology called Transesterification Double Step Process (TDSP) for biodiesel production. The biodiesel was produced from soybean oil by the methyl route, using different reaction conditions from the Doehlert experimental design. The product was characterized by hydrogen nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy which also allowed the calculation of the conversion of the starting material to biodiesel. We also used normal probability and response surface graphs to evaluate the influence of the variables considered in the planning, such as the catalyst amount and the volume of methanol, besides the temperature and reaction time. For the basic catalysis stage of the reaction the best conversion was obtained using 0.40 g of catalyst and 60 mL of methanol while for the acid catalysis the initial condition with temperature of 65 ºC and reaction time of 90 minutes used in the method TDSP remained the best reaction condition. Second, samples of gasoline and ethanol were produced with adulterated and unadulterated samples, which were characterized by 1H NMR and Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance (FTIR-ATR), for later application of chemometric tools to the spectroscopic data generated. To the 1H NMR data, unsupervised models by hierarchical cluster analysis (HCA) and principal component analysis (PCA) were applied. In addition supervised models such as discriminant analysis employing partial least squares (PLS-DA) and partial least squares multivariate regression (PLS) were also studied. HCA and PCA showed a tendency of separation between adulterated and unadulterated samples. In addition, the PLS-DA model was able to correctly classify all samples for both classes. The PLS algorithm presented an excellent regression model to quantify Diesel as a gasoline adulterant with RMSECV value equal to 2.32 % (v/v), RMSEP equal to 1.42 % (v/v) and R2 equal to 0.992. Finally, with the infrared data, were applied models by HCA, PCA, PLS and PLS-DA, support vector machine regression (SVM) and with discriminant analysis (SVM-DA) and multivariate control charts (CCM) also to evaluate the adulteration of these fuels. At models based on infrared data, in general, all the results proved to be excellent alternatives to distinguish the adulterated samples from the unadulterated samples for the fuels studied. To the gasoline samples both PLS-DA e SVM-DA classification models presented maximum sensibility and specificity, which did not occur for models with ethanol samples. The quantitative PLS model to ethanol samples presented RMSECV value equal to 1.721 % (m/m), RMSEP equal to 0.859 % (m/m) and R2 equal to 0.985, while the PLS model to gasoline samples presented RMSECV value equal to 0.832 % (v/v), RMSEP equal to 0.543 % (v/v) and R2 equal to 0.998. The quantitative SVM model to ethanol samples presented RMSECV value equal to 1.056 % (m/m), RMSEP equal to 0.379 % (m/m) and R2 equal to 0.999, while the SVM model to gasoline samples presented RMSECV value equal to 1.084 % (v/v), RMSEP equal to 0.571 % (v/v) and R2 equal to 0.997.

Neste trabalho foram investigados processos de otimização para integração de suportes metálicos porosos selecionados (mono e multicamada) para desenvolvimento de células a combustível de filme fino (TF-SOFC) via deposição de laser pulsado (PLD). A rugosidade superfícial micrométrica dos suportes metálicos porosos é um fator de sensibilidade e limitação na utilização da técnica de PLD para a obtenção de filmes finos nanométricos de alta qualidade. Sendo assim, foram avaliadas técnicas de integração capazes de reduzir a rugosidade superficial próxima a uma escala nanométrica. Entre os processos de integração estudados, a técnica de spray pirólise foi aplicada para a integração de filme de reformador com base em céria e compostos de cobre (Cu- CeO2), sob suportes métálicos porosos selecionados. No bico aspersor o ar comprimido foi usado como agente atomizador da solução precursora na obtenção do filme reformador. As soluções precursoras foram baseadas em água deionizada como solvente. O nitrato de cério e o nitrato de cobre foram usados como agentes precursores. Os filmes foram depositados em dois suportes porosos metálicos previamente desenvolvidos para servirem de suporte para células a combustível. Os parâmetros de deposição como pressão de ar, concentração do sal precursor nitrato de cobre, volume de solução depositado e distância do aspersor, foram investigados e associados à qualidade dos filmes. As etapas de preparação e as características microestruturais do reformador obtido, assim como a redução da rugosidade superficial dos suportes com sua incorporação, foram avaliadas de forma a viabilizar a integração a um design TF-SOFC Os resultados mostram filmes com boa aderência sob os suportes, apresentando superfícies planas, diminuindo a rugosidade superficial original do mesmo e viabilizando a integração de TF-SOFC via PLD. A composição final apresentou uma mistura de duas fases (Cu-CeO2) como esperado. Foi também investigada a impregnação a vácuo do reformador no suporte metálico monocamada, porém não foi satisfatório o nivelamento superficial dos poros de forma a viabilizar o desenvolvimento de filmes finos via PLD em sua superfície. Da mesma forma foi investigada a deposição direta de filme buffer de NiO/Sc-YSZ sob suporte metálico poroso multicamada. Apesar de não apresentar fácil reprodutibilidade via aplicação direta de filme buffer por PLD , foi possível a obtenção e a integração de célula a combustível de filme fino sobre o suporte metálico poroso com sucesso e sua análise de conversão energética foi de 400mW.cm-2 a 650 °C em gás de segurança (9% H2). Filmes nanométricos com características estruturais específicas foram obtidos via PLD juntamente com processos de integração eficientes sob suporte poroso metálico onde a arquitetura multicamada da célula de filme fino foi integrada e harmoniosamente estruturada. / In this work, optimization processes were investigated for the integration of selected porous metal supports (mono and multilayer) for the development of thin film fuel cells (TF-SOFC) via pulsed laser deposition (PLD). The micrometric surface roughness of the porous metal supports is a factor of sensitivity and limitation in the use of the PLD technique to obtain high quality nanometric thin films. Therefore, integration techniques capable of reducing surface roughness close to a nanometric scale were evaluated. Among the integration processes studied, the spray pyrolysis technique was applied for the integration of ceria-based reformer films and copper compounds (Cu-CeO2), under selected porous metal substrates. In the spray nozzle the compressed air was used as atomizing agent of the precursor solution in obtaining the reforming film. The precursor solutions were based on deionized water as the solvent. Cerium nitrate and copper nitrate were used as precursor agents. The films were deposited on two metal porous supports previously developed to serve as support for fuel cells. The deposition parameters such as air pressure, copper nitrate precursor salt concentration, deposited solution volume and sprinkler distance were investigated and associated with the quality of the films. The preparation steps and the microstructural characteristics of the reformer obtained, as well as the reduction of the surface roughness of the supports with their incorporation, were evaluated in order to allow integration to a TF-SOFC design The results show films with good adhesion under the supports, presenting flat surfaces, reducing the original surface roughness of the same and enabling the integration of TFSOFC via PLD. The final composition presented a two-phase mixture (Cu-CeO2) as expected. Vacuum impregnation of the reformer was also investigated in the monolayer metal support, however the superficial leveling of the pores was not satisfactory in order to allow the development of thin films via PLD on their surface. Likewise, direct deposition of NiO / Sc-YSZ buffer films on multilayer porous metal support was investigated. Although it did not present an easy reproducibility through direct application of PLD buffered film, it was possible to obtain and integrate thin film fuel cell onto the porous metal support successfully and its energy conversion analysis was 400mW.cm-2 at 650 °C in safety gas (9% H2). Nanoscale films with specific structural characteristics were obtained via PLD together with efficient integration processes under metal porous support where the multilayer architecture of the thin film cell was integrated and harmoniously structured.

Neste trabalho foram preparadas membranas de poli(indeno) sulfonado (PIndS) com poli(álcool vinílico) (PVA), na forma de rede de polímeros semi-interpenetrantes (semi-IPN), para uso em células a combustível como eletrólito polimérico (PEMFC). Para tal, foram sintetizados polímeros hidrocarbônicos a base de indeno, estireno, limoneno e 5-etilideno-2-norborneno, via mecanismo catiônico, utilizando AlCl3 como catalisador visando à obtenção de um polímero precursor para uso como polímero eletrólito na preparação das membranas. O poli(indeno), (PInd) de maior massa molar foi sulfonado com ácido clorosulfônico com produção de PIndS com grau de sulfonação de 20%, 50% e 100%, que apresentam maior ou menor solubilidade em função do grau de sulfonação. PIndS com grau de sulfonação igual 100% é totalmente solúvel em água. As membranas tipo semi-IPN foram preparadas variando-se o grau de sulfonação do PIndS, o tipo e quantidade do agente de reticulação e a temperatura de cura, ou tratamento térmico destas. Os polímeros e membranas eletrólitos foram caracterizados por RMN de C13 e H1, FTIR, DSC e TGA. As membranas semi-IPNs PIndS/PVA foram avaliadas quanto à absorção de água, capacidade de troca iônica, condutividade, permeabilidade ao etanol, e comportamento viscoelástico por DMA. Foram obtidas membranas com o grau de inchamento inferior a 50%. A condutividade de algumas membranas, nas condições de ensaio avaliadas, foi a mesma ordem de grandeza daquela observada para a membrana comercial Nafion, na faixa de 4,19 x 10-2 S cm-1 a 5,78 x 10-2 S cm-1. Apesar de não terem sido avaliadas em protótipo de célula a combustível, as membranas obtidas demonstraram ter potencial de aplicação como eletrólito polimérico. / In this work were prepared semi-interpenetrating polymer (semi-IPN) membranes from polyindene sulfonate (PIndS) and poly(vinyl alcohol) (PVA) to use in fuel cells as a polymer electrolyte. Hydrocarbon polymers based on indene, styrene, limonene and 5-ethylidene-2-norbornene, were synthesized, via cationic mechanism using AlCl3 as catalyst, in order to obtain a polymer for use as a polymer electrolyte. Polyindene (PInd) of high molecular weight was sulfonated with chlorosulphonic acid to produce PIndS with degree of sulfonation (DS) of 20%, 50% and 100%. The PIndS solubility was dependent on the degree of sulfonation, and PIndS with DS of 100% was completely soluble in water. The semi-IPN membranes were prepared by varying the DS and amount of PIndS, the type and amount of crosslinking agent and PVA curing temperature. The electrolyte polymer and membranes were characterized by C13 and H1 NMR, FTIR, DSC and TGA. The semi-IPNs PIndS/PVA membranes were evaluated by their water absorption, ion exchange capacity, conductivity, ethanol permeability, and viscoelastic behavior by DMA. The membranes water uptake was lower than 50%. The conductivity of some membranes, under the test conditions, was the same order of magnitude than Nafion membrane in the range of 4,19 x 10-3 S cm-1 to 5,78 x 10-3 S cm-1. Despite not being evaluated in a fuel cell prototype, the membranes developed showed have potential application as polymer electrolyte.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:35:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-12-11Bitstream added on 2014-06-13T19:25:04Z : No. of bitstreams: 1 perez_ep_dr_guara.pdf: 1341612 bytes, checksum: 125cdc7c1fba55771fabcabcc4ff2996 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O presente trabalho teve como objetivo estudar a viabilidade da substituição de óleo diesel por álcool etílico hidratado em equipamentos industriais de queima direta. O estudo começou com uma análise do panorama energético atual considerando os dois combustíveis. Posteriormente foi realizada uma comparação teórica das propriedades físico-químicas dos combustíveis, assim como dos diversos aspectos da combustão do álcool e de diesel. O sistema utilizado para a comparação foi uma câmara de combustão vertical. O atomizador utilizado foi do tipo -jet e o estabilizador da chama do tipo swirl. Os resultados mostram que o álcool tílico hidratado se apresenta como um interessante combustível alternativo ao óleo diesel, isso porque na queima de etanol, as emissões de CO2, CO, UHC, NOx e material particulado são menores do que na queima de diesel, quando ambos combustíveis liberam a mesma potencia térmica. A substituição também é tecnicamente possível, sem modificações no sistema de queima (atomizador, ancorador da chama e câmara de combustão). As modificações a serem realizadas seriam somente no sistema de estocagem e na bomba de combustível. Adicionalmente, deve ser avaliada a necessidade de se tomarem medidas para evitar perda de combustível por evaporação, riscos de incêndios e danos dos materiais por corrosão. Dos resultados também se observou que a queima de diesel produz quantidades consideráveis de fuligem. Este particulado diminui a eficiência de troca de calor dos quipamentos e origina paradas para limpeza e restauração dos equipamentos. As chamas de álcool se apresentam mais apropriadas para queima em unidades de combustão convectivas que radiativas. A decisão de substituir diesel por álcool na queima direta necessariamente passa ra vorável para a redução desta diferença. / The objective of this work was to investigate the viability of substituting diesel el by hydrated ethanol in industrial burners. The study started with an analysis of the urrent energy scenario for both fuels. After that, a theoretical comparison was carried ut of the fuels´ physical chemical properties and combustion characteristics. Finally, n experimental comparison was conducted for the combustion characteristics. The xperimental system utilized was a vertical combustion chamber equipped with a Y-jet tomizer and an axial swirler. Results showed that hydrated ethanol is a potential ubstitute for diesel fuel. Emission rates of CO2, CO, UHC, NOx and particulate aterial are lower for ethanol than for diesel fuel. Substitution is also technically iable, requiring no modifications of the burning system. Modifications are required nly in the fuel storage and injection system. When using ethanol, it is also necessary take additional care to avoid losses by evaporation, fire risks and material damage y corrosion. The experimental results also showed that the burning of diesel fuel roduces considerable amounts of soot, contrary to what occurs with ethanol. This articulate material decreases heat exchange efficiency and imposes equipment toppage for cleaning and parts regeneration. Ethanol flames are more appropriate for ombustion units that work under convective heat exchange than those for radiant heat xchange. The decision of substituting diesel fuel by hydrated ethanol in direct burning quires a study of technical, economical and environmental viability for the particular ystem. Current operation costs for hydrated ethanol are higher than for diesel fuel. owever, the national and world scenarios favor a decrease of such difference. etroleum and its derivatives, because th y are non renewable, tend to have price increases.

A presente tese de doutorado visou primeiramente em otimizar a metodologia denominada Transesterification Double Step Process (TDSP) para a produção de biodiesel. O biodiesel foi produzido a partir de óleo de soja, pela rota metílica, empregando diferentes condições reacionais a partir do planejamento experimental Doehlert. O produto foi caracterizado por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogênio (RMN 1H) o que permitiu também o cálculo da conversão do material de partida em biodiesel. Foram utilizados ainda gráficos de probabilidade normal e de superfícies de resposta para avaliar a influência das variáveis consideradas no planejamento, como a quantidade de catalisador e o volume de metanol, além da temperatura e tempo de reação. Para a etapa da catálise básica da reação a melhor conversão foi obtida utilizando-se 0,40 g de catalisador e 60 mL de metanol enquanto para a catálise ácida a condição inicial com temperatura de 65 ºC e tempo de reação de 90 minutos utilizada no método TDSP se manteve como a melhor condição de reação. Em um segundo momento, foram produzidos conjuntos de amostras de gasolina e etanol, com amostras adulteradas e não-adulteradas, que foram caracterizados através de RMN 1H e de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier com acessório de reflectância total atenuada (FTIR-ATR), para posterior aplicação de ferramentas quimiométricas aos dados espectroscópicos gerados. Aos dados de RMN 1H foram aplicados modelos não supervisionados como a análise por agrupamentos hierárquicos (HCA) e a análise por componentes principais (PCA), modelos supervisionados como a análise discriminante empregando mínimos quadrados parciais (PLS-DA) e de regressão multivariada por mínimos quadrados parciais (PLS). HCA e PCA apresentaram uma tendência de separação entre as amostras adulteradas e não adulteradas. Além disso, o modelo PLS-DA foi capaz de classificar corretamente todas as amostras para ambas as classes. Já o algoritmo PLS apresentou um excelente modelo de regressão para quantificar o Diesel como adulterante da gasolina com valor de RMSECV igual a 2,32% (v/v), RMSEP igual a 1,42% (v/v) e R2 igual a 0,992. Por fim, com os dados de infravermelho foram aplicados além de modelos por HCA, PCA, PLS e PLS-DA, modelos de regressão por máquinas de vetores de suporte (SVM) e de classificação com análise discriminante (SVM-DA) e cartas de controle multivariadas (CCM) também para avaliação de adulteração desses combustíveis. Para os modelos com base nos dados de infravermelho, no geral, todos os resultados mostraram que tais modelos são ótimas alternativas para distinguir as amostras adulteradas das não-adulteradas para os combustíveis estudados. Para as amostras de gasolina ambos modelos de classificação PLS-DA e SVM-DA apresentaram sensibilidade e especificidade máximas, o que não ocorreu para os modelos com as amostras de etanol. O modelo quantitativo de PLS para as amostras de etanol apresentou valor de RMSECV igual a 1,721 % (m/m), RMSEP igual a 0,859 % (m/m) e R2 igual a 0,985, enquanto o modelo PLS para as amostras de gasolina apresentou valor de RMSECV igual a 0,832 % (v/v), RMSEP igual a 0,543 % (v/v) e R2 igual a 0,998. O modelo quantitativo de SVM para as amostras de etanol apresentou valor de RMSECV igual a 1,056 % (m/m), RMSEP igual a 0,379 % (m/m) e R2 igual a 0,999, enquanto o modelo SVM para as amostras de gasolina apresentou valor de RMSECV igual a 1,084 % (v/v), RMSEP igual a 0,571 % (v/v) e R2 igual a 0,997. / The present doctoral thesis aimed first optimizing the methodology called Transesterification Double Step Process (TDSP) for biodiesel production. The biodiesel was produced from soybean oil by the methyl route, using different reaction conditions from the Doehlert experimental design. The product was characterized by hydrogen nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy which also allowed the calculation of the conversion of the starting material to biodiesel. We also used normal probability and response surface graphs to evaluate the influence of the variables considered in the planning, such as the catalyst amount and the volume of methanol, besides the temperature and reaction time. For the basic catalysis stage of the reaction the best conversion was obtained using 0.40 g of catalyst and 60 mL of methanol while for the acid catalysis the initial condition with temperature of 65 ºC and reaction time of 90 minutes used in the method TDSP remained the best reaction condition. Second, samples of gasoline and ethanol were produced with adulterated and unadulterated samples, which were characterized by 1H NMR and Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance (FTIR-ATR), for later application of chemometric tools to the spectroscopic data generated. To the 1H NMR data, unsupervised models by hierarchical cluster analysis (HCA) and principal component analysis (PCA) were applied. In addition supervised models such as discriminant analysis employing partial least squares (PLS-DA) and partial least squares multivariate regression (PLS) were also studied. HCA and PCA showed a tendency of separation between adulterated and unadulterated samples. In addition, the PLS-DA model was able to correctly classify all samples for both classes. The PLS algorithm presented an excellent regression model to quantify Diesel as a gasoline adulterant with RMSECV value equal to 2.32 % (v/v), RMSEP equal to 1.42 % (v/v) and R2 equal to 0.992. Finally, with the infrared data, were applied models by HCA, PCA, PLS and PLS-DA, support vector machine regression (SVM) and with discriminant analysis (SVM-DA) and multivariate control charts (CCM) also to evaluate the adulteration of these fuels. At models based on infrared data, in general, all the results proved to be excellent alternatives to distinguish the adulterated samples from the unadulterated samples for the fuels studied. To the gasoline samples both PLS-DA e SVM-DA classification models presented maximum sensibility and specificity, which did not occur for models with ethanol samples. The quantitative PLS model to ethanol samples presented RMSECV value equal to 1.721 % (m/m), RMSEP equal to 0.859 % (m/m) and R2 equal to 0.985, while the PLS model to gasoline samples presented RMSECV value equal to 0.832 % (v/v), RMSEP equal to 0.543 % (v/v) and R2 equal to 0.998. The quantitative SVM model to ethanol samples presented RMSECV value equal to 1.056 % (m/m), RMSEP equal to 0.379 % (m/m) and R2 equal to 0.999, while the SVM model to gasoline samples presented RMSECV value equal to 1.084 % (v/v), RMSEP equal to 0.571 % (v/v) and R2 equal to 0.997.

Células a combustível de etanol direto (DEFCs) apresentam um grande potencial como tecnologia para produzir energia limpa, especialmente por fornecer uma eficiente conversão do combustível com baixa emissão de poluentes. Esses tipos de células a combustível operam em baixas temperaturas e convertem diretamente energia química em eletricidade. O etanol apresenta uma grande vantagem com relação ao seu uso, visto que o Brasil pode produzir etanol a partir da cana de açúcar a preços extremamente competitivos. Uma desvantagem é que as DEFC operam à baixa temperatura o que torna as reações de oxidação e redução mais lentas, necessitando de eletrocatalisadores capazes de acelerar essas reações. Eletrocatalisadores a base de Pt são os mais indicados. O presente trabalho tem como objetivo investigar a síntese de ligas binárias e ternárias à base de Pt, Sn e Ni suportadas em carbono Vulcan XC72R. As ligas foram sintetizadas pelo método de impregnação/redução empregando etilenoglicol como agente redutor. As técnicas de caracterização empregadas foram Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford (RBS), Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução (HRTEM), Voltametria Cíclica e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE). Os ensaios eletroquímicos mostraram, que a adição de estanho e níquel à platina melhora sua atividade catalítica. Além disso, observou-se que a adição de estanho provocou a dilatação do retículo cristalino, enquanto que a adição de níquel provocou a contração do mesmo. A contração do retículo cristalino pode contribuir para uma redução no envenenamento de platina por espécies intermediárias provenientes da eletro-oxidação do etanol, e um conseqüente aumento da atividade catalítica frente à oxidação do etanol. / Direct ethanol fuel cells (DEFCs) show a wide potential as technology to produce clean energy, especially for provide an efficient fuel conversion with low pollutants emission. These are systems that operate at low temperatures and convert chemical energy directly into electricity. Ethanol presents a great advantage in respect to its use, since Brazil can produce ethanol from sugar cane at extremely competitive prices. A disadvantage is that the DEFC operate at low temperature, which makes the oxidation and reduction reactions slower, requiring electrocatalysts able to accelerate these reactions. Pt-based electrocatalysts are the most suitable. The present work aims to investigate the synthesis of binary and ternary alloys based on Pt-Sn-Ni supported on carbon Vulcan XC72R. The alloys were synthesized by the impregnation/reduction method using ethylene glycol as reducing agent. The characterization techniques employed were Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS), X-ray Diffraction (XRD), High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), Cyclic Voltammetry (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The electrochemical tests showed, as expected, that the addition of tin and nickel to platinum improves its catalytic activity. In addition, it was observed that the addition of tin led to the expansion of the crystalline lattice, while the addition of nickel resulted in it contraction. The contraction of crystalline lattice contribute to a reduction in platinum poisoning by intermediate species coming from ethanol electrooxidation, and a consequent increase in catalytic activity toward ethanol.

As células a combustível do tipo PEMFC necessitam de alta durabilidade, eficiência e custo baixo de produção para que tenham aplicação prática. Um dos componentes da célula denominado MEA (Membrane Electrode Assembly) é composto por uma membrana trocadora de prótons e por camadas de difusão gasosa (CDG) que devem ser altamente condutores, porosos e hidrofóbicos. CDGs com alta hidrofobicidade são geralmente preparadas com revestimentos à base de Nafion® e PTFE (politetrafluoretileno) sobre a superfície do substrato (polímero reforçado com fibra/papel de carbono). No entanto, alguns estudos têm demonstrado que o desempenho das CDG’s tende a diminuir com o aumento de PTFE na superfície. O presente trabalho apresenta um método de tratamento superficial através de modificação assistida por radiação UV na presença do agente hidrofóbico Trimetóxipropilsilano (TMPSi). Foram realizadas modificações superficiais inserindo grupos hidrofóbicos na superfície da CDG por meio da imersão da mesma em H2O2 10% por 2 minutos, seguida da irradiação (254 nm) na presença de TMPSi por 60 e 120 min. Aplicou-se também um tratamento térmico a 80 °C por 120 minutos após a irradiação. As amostras foram caracterizadas quanto à molhabilidade por monitoramento do ângulo de contato (WCA - water contact angle), que evidenciou um aumento de aproximadamente 30° no WCA para as amostras. Análises de FTIR-ATR evidenciaram a evolução das ligações químicas realizadas na superfície do polímero e medidas de condutividade elétrica mostraram que houve um decréscimo menor com o tratamento superficial por foto-funcionalização hidrofóbica do que com os tratamentos a base de PTFE. Os resultados evidenciaram a eficiência do tratamento proposto para a produção de CDGs hidrofóbicas em alternativa aos tratamentos convencionais com PTFE e a um custo reduzido. / The PEMFC type fuel cell requires high durability, efficiency and low production cost to achieve wide-spread practical application. One of the components of the cell, called MEA (Membrane Electrode Assembly), comprises a proton exchange membrane and gas diffusion electrodes (GDL) that must be highly conductive, porous and hydrophobic. The highly hydrophobic GDL are usually prepared with coatings based on PTFE (polytetrafluoroethylene) on the surface of the substrate (fiber reinforced polymer/carbon paper), even though some studies have shown that the performance of CDG's tends to decrease with increasing PTFE surface. This work focuses on a surface treatment method assisted by UV radiation in the presence of a hydrophobic agent (trimetoxipropylsilane - TMPSi). Surface modifications were carried out by inserting hydrophobic groups on the surface of CDG by its immersion on 10% H2O2 solution for 2 min, followed by irradiation (254 nm) in the presence of TMPSi for 60 and 120 min. A heat treatment, 80 °C for 120 min, was also applied after irradiation. The samples were characterized, among others, by WCA (water contact angle) which showed an increase of nearly 30°, whereas FTIR-ATR showed change in chemical bonds on the polymer surface. Conductivity measurements showed higher values with the hydrophobic photo-functionalization surface treatment than the treatments based on PTFE. The results evidenced the effectiveness of the proposed treatment for the production of hydrophobic CDGs as an alternative to conventional PTFE treatments and at low cost.