Neste trabalho foi desenvolvido um método de preparação de eletrocatalisadores de Platina e Estanho suportados em carbono para a oxidação de etanol. Este método utiliza a decomposição térmica de precursores poliméricos, conhecido como método Pechini, para a produção de pós com tamanho de partículas da ordem de nanômetros. Foram preparados diversos catalisadores variando-se a proporção entre platina e estanho, e a proporção entre metal e carbono. Os eletrocatalisadores foram caracterizados por técnicas de Espectroscopia de Energia Dispersiva de raios X (EDX), Difração de raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). Os resultados mostram que o método utilizado produziu catalisadores com composição nominal próxima da composição real, que os tamanhos de cristalitos estão na ordem de 5 nm e os tamanhos de partículas apresentados estão na ordem de 5 nm. As atividades eletrocatalíticas dos catalisadores foram investigadas utilizando-se técnicas eletroquímicas convencionais (voltametria cíclica e cronoamperometria) assim como através de testes em célula a combustível a etanol direto. Após os testes de cronoamperometria foram analisadas as concentrações de etanol e dos produtos formados através de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE). Os voltamogramas cíclicos na presença de etanol apresentaram correntes de oxidação de etanol próximos de 0,2 V vs. ERH e os resultados de cronoamperometria mostraram que há grandes diferenças de desempenho entres os eletrocatalisadores. Os resultados de eletrólise mostraram que o produto principal é o acetaldeido, e que a quebra da ligação C-C do etanol ocorreu em pequenas proporções. O melhor desempenho nos testes de célula a combustível foi encontrado utilizando-se PtSnO2/C com uma proporção de estanho de 10 % /platina 90 % (mol) e com uma porcentagem de 30 % (massa) de metal em relação ao carbono. A densidade de potência obtida neste caso foi de aproximadamente 72 mW cm-2. / In this work, a method for the preparation of eletrocatalysts containing platinum and tin supported on carbon was developed aiming at the ethanol oxidation. This method uses the thermal decomposition of polymeric precursors, known as the Pechini method, for the production of powders with particle size lying in the range of nanometers. Several catalysts were prepared by varying the platinum and tin ratio, as well as the metal and carbon proportion. The eletrocatalysts were characterized by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (DRX) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Our results showed that the method employed in the study produced catalysts with compositions close to the nominal one, with particle size in the order of 5 nm. The electrocatalytic activities of the catalysts were investigated by conventional electrochemistry techniques (cyclic voltammetry and chronoamperometry) and by tests in direct ethanol fuel cells. After the chronoamperometric tests, the ethanol and the products were analyzed by High Performance Liquid Chromatography (HPLC). Results obtained by cyclic voltammetry in the presence of ethanol showed that currents of ethanol oxidation at approximately 0.2 V vs. RHE were achieved and the chronoamperometry results gave evidence of large differences in the electroactivity of the eletrocatalysts. The electrolysis results showed that the main product was acetaldehyde, and that the break of the C-C bond of the ethanol occured in small proportions. The best result in the cell tests was found by using the catalyst PtSnO2/C with a tin / platinum molar ratio of 1:9 and 30% (mass) metal loading in relation to carbon. The power density obtained in this case was approximately 72 mW cm-2.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:43Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:41:23Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:43Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Células a combustível de óxido sólido suportadas no eletrólito de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) foram fabricadas usando a técnica do recobrimento por rotação (spin-coating) para deposição de catodos de manganita de lantânio dopada com estrôncio (LSM) e anodos compósitos de níquel e YSZ (Ni-YSZ). Parâmetros microestruturais dos eletrodos, tais como espessura, tamanho médio de partículas e temperatura de sinterização foram otimizados, visando reduzir a resistência de polarização da célula e melhorar o seu desempenho. Estes estudos serviram de base para a fabricação de células com camada catalítica para uso com etanol direto. Sobre o anodo Ni-YSZ da célula foi depositada uma camada catalítica de céria dopada com gadolínia (CGO) com 0,1% em peso de irídio (Ir-CGO). A camada catalítica visa reformar o etanol antes do seu contato com o anodo Ni-YSZ, evitando o depósito de carbono na superfície do Ni que inviabiliza o uso de combustíveis primários contendo carbono nestas células a combustível. Inicialmente, a célula a combustível foi testada com etanol e as melhores condições de operação foram determinadas. Em seguida, as células unitárias foram testadas com etanol sem adição de água por períodos de tempo de até 390 horas. As células a combustível a etanol direto com camada catalítica operam no modo de reforma interna gradual, apresentando boa estabilidade e densidades de corrente similares às obtidas na operação com hidrogênio. Após a operação das células a combustível a etanol direto, análises de microscopia eletrônica de varredura mostraram que não houve formação significativa de depósitos de carbono na superfície do Ni, indicando que a camada catalítica de Ir-CGO foi efetiva para operação com o etanol. Testes de células a combustível a etanol direto sem a camada catalítica revelaram uma rápida degradação nas horas iniciais de operação com formação de grandes quantidades de depósitos de carbono identificados visualmente. Considerando-se a operação estável com etanol a seco por tempos relativamente longos de operação, os resultados alcançados representam um avanço significativo e apontam para o desenvolvimento de células a combustível a etanol direto usando-se os componentes tradicionais com a adição de uma camada catalítica. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:41:23Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:03:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / No presente trabalho, o desempenho elétrico dos eletrocatalisadores anódicos Pt/C, Pt3Sn/C(liga), Pt(SnO2)/C, Pt3(SnO2)/C e Pt9(SnO2)/C para as reações de eletro-oxidação de etanol, acetaldeído e ácido acético foi investigado. Testes em célula unitária mostraram que a adição de Sn seja na forma de liga Pt-Sn ou na forma de óxido (SnO2) coexistente com a platina metálica aumenta consideravelmente a resposta elétrica gerada pela célula. A melhora no desempenho elétrico dos catalisadores a base de PtSn é resultado da capacidade em oxidar o acetaldeído, majoritariamente produzido pelo Pt/C, em ácido acético. Pt3(SnO2)/C exibiu a melhor resposta elétrica tanto para o etanol quanto para acetaldeído como combustíveis, alcançando valores de densidade de potência máxima de 127 e 58 mW cm-2, respectivamente. Misturas entre os combustíveis mostraram que o acetaldeído é um composto que leva a uma rápida desativação dos catalisadores, enquanto que o ácido acético, embora não seja oxidado a CO2 nas condições de operação, não afeta o desempenho elétrico da célula. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Neste trabalho foi desenvolvido um método de preparação de eletrocatalisadores de Platina e Estanho suportados em carbono para a oxidação de etanol. Este método utiliza a decomposição térmica de precursores poliméricos, conhecido como método Pechini, para a produção de pós com tamanho de partículas da ordem de nanômetros. Foram preparados diversos catalisadores variando-se a proporção entre platina e estanho, e a proporção entre metal e carbono. Os eletrocatalisadores foram caracterizados por técnicas de Espectroscopia de Energia Dispersiva de raios X (EDX), Difração de raios X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). Os resultados mostram que o método utilizado produziu catalisadores com composição nominal próxima da composição real, que os tamanhos de cristalitos estão na ordem de 5 nm e os tamanhos de partículas apresentados estão na ordem de 5 nm. As atividades eletrocatalíticas dos catalisadores foram investigadas utilizando-se técnicas eletroquímicas convencionais (voltametria cíclica e cronoamperometria) assim como através de testes em célula a combustível a etanol direto. Após os testes de cronoamperometria foram analisadas as concentrações de etanol e dos produtos formados através de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE). Os voltamogramas cíclicos na presença de etanol apresentaram correntes de oxidação de etanol próximos de 0,2 V vs. ERH e os resultados de cronoamperometria mostraram que há grandes diferenças de desempenho entres os eletrocatalisadores. Os resultados de eletrólise mostraram que o produto principal é o acetaldeido, e que a quebra da ligação C-C do etanol ocorreu em pequenas proporções. O melhor desempenho nos testes de célula a combustível foi encontrado utilizando-se PtSnO2/C com uma proporção de estanho de 10 % /platina 90 % (mol) e com uma porcentagem de 30 % (massa) de metal em relação ao carbono. A densidade de potência obtida neste caso foi de aproximadamente 72 mW cm-2. / In this work, a method for the preparation of eletrocatalysts containing platinum and tin supported on carbon was developed aiming at the ethanol oxidation. This method uses the thermal decomposition of polymeric precursors, known as the Pechini method, for the production of powders with particle size lying in the range of nanometers. Several catalysts were prepared by varying the platinum and tin ratio, as well as the metal and carbon proportion. The eletrocatalysts were characterized by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (DRX) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Our results showed that the method employed in the study produced catalysts with compositions close to the nominal one, with particle size in the order of 5 nm. The electrocatalytic activities of the catalysts were investigated by conventional electrochemistry techniques (cyclic voltammetry and chronoamperometry) and by tests in direct ethanol fuel cells. After the chronoamperometric tests, the ethanol and the products were analyzed by High Performance Liquid Chromatography (HPLC). Results obtained by cyclic voltammetry in the presence of ethanol showed that currents of ethanol oxidation at approximately 0.2 V vs. RHE were achieved and the chronoamperometry results gave evidence of large differences in the electroactivity of the eletrocatalysts. The electrolysis results showed that the main product was acetaldehyde, and that the break of the C-C bond of the ethanol occured in small proportions. The best result in the cell tests was found by using the catalyst PtSnO2/C with a tin / platinum molar ratio of 1:9 and 30% (mass) metal loading in relation to carbon. The power density obtained in this case was approximately 72 mW cm-2.

Doctor of Philosophy / Department of Electrical and Computer Engineering / Medhat M. Morcos / Characterized by variable impedances, DC power sources normal operation, reliability, and life-time is negatively affected by the sequential switching within any DC power system. The impedances of Nickel-Cadmium (NiCd) storage batteries and Direct Ethanol Fuel Cells (DEFC) vary nonlinearly; therefore, existing DC power system models, that employ averaging of the sequential switching process, are inaccurate in describing the system output voltage. In this research, Fourier-series models of DC–DC converters are developed and evaluated, through numerical computations and computer simulations. Both NiCd-DC converter and DEFC-DC converter power systems are experimentally evaluated over a selected switching frequency range. Input voltage and output voltage characteristics of two types of DEFC-DC converter systems (Nickel-mesh and Nickel-foam electrode assembly) are determined. Experimental results are compared to computer simulations, thus validating the Fourier-series models. Experimental results show a correlation between the DC converter switching frequency and the output of the DC power system. Sequential switching operation, along with the type of DC converter employed, are factors determining the maximum power transfer of the system. The models developed in this work are flexible over a large switching frequency range, and for any desired duty cycle. Correction factors, accounting for the source-converter impedance matching, are easily implemented in Fourier-series models. The research demonstrates the advantages of Fourier-series models, as compared to both large-signal and small-signal models, with regard to accuracy and ease of implementation to any DC–DC converter-driven power system.

Fuel cells represent a promising technology for clean power generation because they convert chemical energy (fuel) into electrical energy with high efficiency and low-to-none emission of pollutants. Direct ethanol fuel cells (DEFCs) have several advantages compared to the most studied hydrogen and methanol fuel cells. First and foremost, ethanol is a non-toxic liquid, which lowers the investment of handling facilities because the current infrastructure for gasoline can be largely used. Second, ethanol can be conveniently produced from biomass, hence is carbon neutral which mitigates increasing atmospheric CO2. Last but not least, if completely oxidized to CO2, ethanol has a higher energy density than methanol since it can deliver 12 electrons per molecule. The almost exclusive oxidation to acetic acid overshadows the attractiveness of DEFCs considerably, as the energy density is divided by 3. The standard potential of acetic acid formation indicates that a reaction path including acetic acid, leads to inevitable potential losses of about 0.4 V (difference between ideal potential for CO2 and acetic acid "production"). The development of alkaline DEFCs had also been hampered by the lack of stable and efficient anion exchange membranes. Fortunately, this challenge has been well tackled in recent years,8,9 making the development of alkaline fuel cells (AFCs) which are of particular technological interest due to their simple designs and ability to operate at low temperatures (25-100 °C). In alkaline conditions, the kinetic of both the cathodic oxygen reduction and the anodic ethanol oxidation is facilitated. Furthermore, the expensive Pt catalyst can be replaced by the lower-cost and more active transition metals such as Pd. The main objectives of this project are: i) to provide detailed fundamental understanding of ethanol oxidation reaction on transition metal surfaces in alkaline media, ii) to propose the best rational catalyst design strategies to cleave the C–C bond during ethanol electrooxidation. To achieve these goals two methodologies are used, i.e., in-situ identification of ethanol electrooxidation products using polarization modulation infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS) and mechanistic investigation using computational studies in the framework of density functional theory (DFT). The PM-IRRAS technique was advanced in this project to the level of distinguishing electrooxidation products at the surface of the nanoparticles (electrode) and in the bulk-phase of the electrolyte. This new PM-IRRAS utility makes it possible to detect molecules such as CO2 which desorbs from the catalyst surface as soon as they are formed. The DFT insights in this project, provides an explanation as to why it is difficult to break the C–C bond in ethanol and is used for screening the top candidate metals for further studies.

The lack of catalytic efficiency towards the complete ethanol oxidation reaction (EOR) has hindered the development of direct ethanol fuel cells (DEFCs). Ir-based catalysts have recently been shown promise in the complete EOR. However, the reaction mechanism of the complete EOR remains unclear, which impedes the development of better Ir-based catalysts. Herein, we performed extensive density functional theory (DFT) calculations to develop a comprehensive reaction network of EOR on Ir(100). The EOR process consists of four dehydrogenation steps of ethanol leading to the generation of CH2CO species followed by two competitive reaction pathways, i.e., a C-O bond cleavage to poisoning species (e.g., CHC) and the surface diffusion of CH2CO leading to CO2. Furthermore, our studies show that for all CHxCOy (x = 1, 2, or 3 and y = 0 or 1) species, only when the C and O atoms (or two C atoms) bind to two different surface Ir atoms can the C-C/C-O bond cleavage occur. This work highlights the essential roles of adsorption structure and diffusion of CH2CO for the complete EOR and serves as a benchmark for the future investigation of the electronic and solvent effects.Pt-Ir-based alloy electrocatalysts have shown encouraging catalytic performance on the EOR in direct ethanol fuel cells. Nevertheless, designing a suitably qualified EOR electrocatalyst remains challenging because of several convoluted factors (e.g., C1 species poisoning, acetate acid formation, and C-C bond splitting). To understand the relationship between the EOR performance and the type of catalysts, we model three kinds of (100)-exposed Pt-Ir layered catalysts and perform density functional theory (DFT) calculations to explore 58 elementary reactions of the EOR over three catalyst surfaces. According to the calculated activation energies and reaction energies, we mapped out the reaction mechanisms for EOR on different catalysts, indicating corresponding rate-limiting steps (RLSs) of the complete EOR. We demonstrated that the C-O coupling/decoupling ability of the catalyst surface plays a leading role in the overall EOR performance because a perfect complete EOR not only has to avoid some C-O coupling reactions (e.g., CH¬3CO+OH→CH3COOH) but also needs to promote some C-O coupling reactions (e.g., CO+O→CO2). We further illustrated that Pt and Ir exhibit excellent C-O coupling and decoupling abilities, respectively, implying that modifying the compositions and structures of Pt-Ir catalysts is a promising way to achieve the complete EOR. Furthermore, the Ir@Pt(100) surface (Ir monolayer over Pt(100) surface) with a Pt-doped active site possesses the most significant potential on EOR, which could impede the acetate acid formation and facilitate the CO2 formation simultaneously. This work highlights the role of tuning the C-O coupling/decoupling ability of electrocatalyst in EOR activity, providing a new strategy for designing and selecting the EOR electrocatalyst. The solvent effect has always been a non-negligible factor for aqueous reactions. In computational chemistry, researchers have been looking for a compromise between computational efficiency and the rationality of solvent models to mimic the solvent environment. In this work, I investigated the ethanol dehydrogenation and C-C bond cleavages of EOR over Ir(100)using both implicit and explicit solvation models. The implicit model exhibited little impact on the adsorbates without the hydroxyl group, whereas the explicit model can reasonably describe the system’s hydrogen bonding and van der Waals interaction. This solvent effect study showed how different solvent models affected the elementary reactions geometrically and energetically.

No presente trabalho, o desempenho elétrico dos eletrocatalisadores anódicos Pt/C, Pt3Sn/C(liga), Pt(SnO2)/C, Pt3(SnO2)/C e Pt9(SnO2)/C para as reações de eletro-oxidação de etanol, acetaldeído e ácido acético foi investigado. Testes em célula unitária mostraram que a adição de Sn seja na forma de liga Pt-Sn ou na forma de óxido (SnO2) coexistente com a platina metálica aumenta consideravelmente a resposta elétrica gerada pela célula. A melhora no desempenho elétrico dos catalisadores a base de PtSn é resultado da capacidade em oxidar o acetaldeído, majoritariamente produzido pelo Pt/C, em ácido acético. Pt3(SnO2)/C exibiu a melhor resposta elétrica tanto para o etanol quanto para acetaldeído como combustíveis, alcançando valores de densidade de potência máxima de 127 e 58 mW cm-2, respectivamente. Misturas entre os combustíveis mostraram que o acetaldeído é um composto que leva a uma rápida desativação dos catalisadores, enquanto que o ácido acético, embora não seja oxidado a CO2 nas condições de operação, não afeta o desempenho elétrico da célula. / In the present work, the electrical performance of the anodic electrocatalysts Pt/C, Pt3Sn/C(alloy), Pt(SnO2)/C, Pt3(SnO2)/C and Pt9(SnO2)/C towards ethanol, acetaldehyde and acetic acid electro-oxidation reactions was investigated. Single cell tests showed that the Sn addiction whether in Pt-Sn alloyed form or in oxide (SnO2) form coexisting with metallic platinum increases considerably the electrical response generated by the cell. The electrical performance improvement of PtSn-basis catalysts is a result of the ability to oxidize acetaldehyde, mostly produced by Pt/C, in acetic acid. Pt3(SnO2)/C exhibited the highest electrical performance both for ethanol and acetaldehyde as fuels, reaching maximum power density values of 127 and 58 mW cm-2, respectively. Mixtures between fuels showed that acetaldehyde is a compound which leads a rapid deactivation of the catalysts, while acetic acid, although not oxidized to CO2 under operating conditions, does not affect the cell electrical performance.