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 2016-06-02T20:34:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3765.pdf: 3382969 bytes, checksum: 0b5a6da8ea8e190fb9cc67f99fb89ced (MD5) Previous issue date: 2010-11-08 / Universidade Federal de Minas Gerais / This work reports the electrochemical and spectroscopic studies of ethylene glycol and ethanol electrooxidation onto Ptpc/(Pt1Ir1)x/Pty, Ptpc/Irx/Pty (where x and y designate different thickness) and alloys Ptpc/(PtxIry)1.5ML (where x and y designate different atomic ratio) metallic multilayer electrodes. About ethylene glycol electrooxidation, it was observed that metallic multilayer electrodes without alloys in the inner layer, i.e. Ptpc/Ir3.0/Pt3.0 exhibited are increase around 175% in the peak current. Using factorial design technique, it was possible to determine that the composition effect of the inner layer was the most significant. Using in situ FTIRRAS, it was observed that the CO2 onset production over Ptpc/Ir3.0/Pt3.0 metallic multilayer electrodes shifted 100mV towards more negative values and its production was increased by approximately 140% compared to Ptpc. During the ethanol electrooxidation, it was observed that the process onset was shifted 200mV towards more negative values over Ptpc/Irx/Pty and the peak current density increased about 375% over Ptpc/Ir1.3/Pt10 compared to Ptpc. The CO2 production was shifted 100mV towards more negative for all Ptpc/Irx/Pty metallic multilayer electrodes, and especially for Ptpc/Ir250/Pt250 the CO2 production increased up to 960%. A complete C-C bond cleavage for ethanol molecule, leading to COL as intermediate and CO2 as final reaction production was for the first time observed in this work. Therefore, no band related to acetaldehyde and acetic acid was observed by in situ FTIRRAS over Ptpc/Ir250/Pt250 metallic multilayer electrodes. / Este trabalho descreve os estudos eletroquímicos e espectroscópicos da eletrooxidação de etileno glicol e etanol sobre eletrodos constituídos de multicamadas metálicas Ptpc/(Pt1Ir1)x/Pty, Ptpc/Irx/Pty (onde, x e y designam diferentes espessuras) e ligas Ptpc/(PtxIry)1.5ML (onde, x e y designam diferentes frações atômicas). Para a eletrooxidação de etileno glicol, foi observado que eletrodos que não apresentavam ligas na sua camada interna, ou seja, Ptpc/Ir3.0/Pt3.0 apresentaram incremento na densidade de corrente de até 175%. Com o auxílio da técnica de planejamento fatorial, foi possível determinar que o efeito composição da camada interna foi o mais significativo. Utilizando FTIRRAS in situ, foi possível observar que a produção de CO2 sobre eletrodos Ptpc/Ir3.0/Pt3.0 é iniciada 100mV mais negativa e que sua produção foi aumentada em aproximadamente 140% em relação à Ptpc. Para a eletrooxidação de etanol, foi observado que o inicio do processo é iniciado 200mV mais negativo sobre eletrodos Ptpc/Irx/Pty e os valores de densidade de corrente aumentaram 375% sobre Ptpc/Ir1.3/Pt10 em relação à Ptpc. Sobre todos os eletrodos Ptpc/Irx/Pty a produção de CO2 ocorre 100mV mais negativa, e, em especial sobre eletrodos Ptpc/Ir250/Pt250 o aumento na produção de CO2 foi de aproximadamente 960%. A quebra completa da ligação C-C da molécula de etanol, obtendo, portanto, apenas COL como intermediário e CO2 como produto de reação foi pela primeira vez observada neste trabalho. Portanto, nenhuma banda relacionada à acetaldeído, bem como ácido acético foi observada utilizando FTIRRAS in situ sobre eletrodos Ptpc/Ir250/Pt250.

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.

Este trabalho descreve estudos eletroquímicos e espectroscópicos da eletrooxidação de etanol, acetaldeído e ácido acético sobre uma superfície de platina monocristalina de baixo índice de Miller 110 modificada por ósmio (Os). O eletrodo monocristalino de Pt(110) foi modificado por Os espontaneamente e pela aplicação de potencial. Os eletrodos foram caracterizados eletroquimicamente, de forma que foram obtidos valores baixos, intermediários e altos de Os sobre a superfície de Pt(110). A eletrooxidação de etanol sobre Pt(110) e Pt(110)/Os, analisada pelas técnicas de voltametria cíclica e cronoamperometria, mostrou que as densidades de corrente para essa reação foram maiores nos graus de recobrimento entre 0,51 – 0,61 ML. A partir dos resultados de FTIR in situ, verificou-se que a reação de oxidação de etanol difere em seus caminhos de acordo com o grau de recobrimento de Os. O caminho um sugere a quebra da ligação C—C com maior intensidade em graus de recobrimento entre 0,36 – 0,80 ML, formando espécies como COlinear, CHx e, posteriormente, CO2. O caminho dois mostra a formação de acetaldeído a partir de 0,4 V sobre os eletrodos Pt(110) e Pt(110)/Os, e que pode haver ainda a produção de CO e ácido acético a partir desse orgânico sobre eletrodos com HOs > 0,80 ML, a baixos potenciais. O estudo realizado com acetaldeído mostrou que o desempenho na oxidação desse orgânico foi sutilmente maior para os eletrodos modificados por Os. O caminho três apresenta a produção de CO2 proveniente da oxidação de etanol diretamente a ácido acético sobre eletrodos com alto grau de recobrimento. Durante a oxidação ocorre a formação a baixos potenciais de COlinear em grandes quantidades. Além disso, há produção de ácido acético e posteriormente de CO2. Ainda nos eletrodos espessos, a produção de CO2 ocorre sem que se observe a presença de COlinear, indicando a possibilidade da oxidação de ácido acético a CO2. A eletrooxidação de ácido acético sobre os diversos eletrodos de Pt(110)/Os mostra que ocorre a quebra dessa molécula para formar CO2, embora de forma menos expressiva que as demais moléculas estudadas. Sendo que parte do CO2 produzido provavelmente tem sua origem no grupo COO- que está adsorvido sobre a superfície do eletrodo. / This work reports the electrochemical and spectroscopic results of ethanol, acetaldehyde and acetic acid electrooxidation onto low index platinum single crystal surface (110) modified by osmium (Os). The Pt(110) electrode was modified by spontaneous and electroless Os deposition and checked electrochemically in order to obtain low, intermediate and high Os coverages on Pt(110). The ethanol electrooxidation on Pt(110) and Pt(110)/Os, which used voltammetric cycle and cronoamperometric techniques, showed higher currents toward this reaction on Os coverage between 0.51-0.61 ML. The FTIR results reveal that ethanol oxidation has different pathways according to Os coverage. The step one suggests that the cleavage of ethanol C—C bond occurs with major intensity forming species such as COlinaer and CHx when the reached coverage is 0.36 – 0.80 ML and further producing CO2. At the step two, acetaldehyde formation is improved above 0.4 V on Pt(110) and Pt(110)/Os, and at low potentials on HOs > 0.80 ML, this molecule can oxidize and form CO and acetic acid. Studies on acetaldehyde showed that the catalytic activity is slightly higher on electrodes modified by Os. The step three presents the CO2 production through acetic acid onto electrodes with high Os coverage. During the oxidation of this molecule, COlinear is produced in large quantities at low potentials; there is formation of acetic acid and thereupon CO2. Onto Os thick electrode, CO2 production occurs without the presence of COlinear, indicating the possibility of acetic acid oxidation directly to CO2. The acetic acid oxidation on various electrodes modified by Os is possible with cleavage of C—C bond to form CO2, though this process is less significant than others organic molecules studied. Since the amount of CO2 produced can arise through the acetate group once this specie is adsorbed onto the electrode surface.

O desenvolvimento de células a combustível de etanol direto ou de reformadores eletroquímicos de etanol para a produção de hidrogênio, é limitado pela dificuldade da quebra da ligação C-C durante o curso da reação de oxidação de etanol (ROE), necessária para a completa eletroconversão ou alta eficiência para a formação de CO2. Diante desse contexto, este estudo teve como objetivo investigar os efeitos da composição dos eletrocatalisadores e da temperatura na eficiência faradaica da ROE para formação de CO2 e, assim, avançar no conhecimento dos fatores que governam a cinética de reação. Os eletrocatalisadores investigados foram formados por nanopartículas de Rh/C, Pt/C, Sn/Pt/C (1:3), Sn/Ir/C (1:3), Sn/(PtRh)/C (1:3) e Sn/(IrRh)/C (1:3), e sintetizadas pelo método de impregnação/decomposição térmica, seguido por tratamento em atmosfera de hidrogênio a 300 oC por 3 horas. As atividades eletrocatalíticas foram investigadas em temperatura ambiente (25 oC), em meio ácido, com eletrólito líquido estagnante e em condições controladas de transporte de massa (fluxo). Os estudos do efeito da temperatura (25 a 140 oC) foram conduzidos em eletrólito sólido utilizando-se membrana de AquivionTM. O monitoramento dos produtos gasosos e voláteis oriundos da ROE, e as medidas quantitativas para os cálculos de eficiência faradaica, em cada condição, foram feitos por meio do acoplamento de diferentes células eletroquímicas com um espectrômetro de massas do tipo DEMS (Differential Electrochemical Mass Spectrometry), permitindo a detecção on-line e instantânea. Os resultados obtidos em modos potenciodinâmico e potenciostático, em temperatura ambiente, mostraram maiores atividades eletrocatalíticas para os materiais contendo estanho. O eletrocatalisador de Rh/C apresentou a maior eficiência faradaica para a eletroconversão de etanol a CO2 (25,4%) em modo potenciodinâmico. No entanto, em modo potenciostático, as eficiências faradaicas foram próximas de zero para todos os eletrocatalisadores investigados, o que foi atribuído ao envenenamento progressivo por CO e espécies CHx adsorvidas, conforme evidenciado por medidas de stripping de adsorbatos em altos potenciais, feitas por DEMS em célula de fluxo. Os estudos do efeito da temperatura mostraram um aumento significativo da atividade eletrocatalítica, com forte diminuição da desativação do eletrocatalisador acima de 100 oC, e um máximo de corrente faradaica em 120 oC. Nesta temperatura, os resultados mostraram melhor desempenho para a membrana de AquivionTM quando comparado com a membrana de Nafion®, o que foi associado à sua maior capacidade de retenção de água devido à presença de cadeias laterais curtas, que possibilitam maior densidade de grupos sulfônicos. Medidas de DEMS on-line, em modo potenciostático, mostram que as eficiências faradaicas para a eletroconversão de etanol a CO2 aumentaram consideravelmente quando a temperatura passou de 25 ºC à 120 oC. Os valores aumentaram de aproximadamente zero para 54,9, 31,2, 30,2, e 10,2% para Rh/C, Pt/C, Sn/(PtRh)/C (1:3), e Sn/Pt/C (1:3), respectivamente. O impacto da temperatura foi, portanto, mais proeminente para Rh/C e isso foi associado à sua capacidade de desidrogenação do grupo metila, resultando na formação de uma espécie adsorvida pelo átomo de oxigênio e pelo átomo de carbono do grupo metila (oxametalacycle), o que facilita a quebra direta da ligação C-C, sendo a velocidade deste passo muito mais rápida em 120 oC do que em 25 oC. / The development of direct ethanol fuel cells or electrochemical ethanol reformers for hydrogen production, is limited by the difficulty of cleaving the C-C bond throughout the ethanol oxidation reaction (EOR), which is required for complete electroconversion or high efficiency for CO2 formation. In this context, this study aimed to investigate the effects of the electrocatalyst composition and temperature, on the faradaic efficiency during the EOR for CO2 formation and, thus, to advance in the knowledge of the factors that govern the reaction kinetics. The investigated electrocatalysts were formed by Sn/Pt/C (1:3), Sn/Ir/C (1:3), Sn/(PtRh)/C (1:3), and Sn/(IrRh)/C (1:3) nanoparticles and synthesized by thermal impregnation/decomposition method, followed by heat treatment under hydrogen atmosphere at 300 oC for 3 hours. The electrocatalytic activities were investigated at room temperature (25 oC), in acid medium, with stagnant liquid electrolyte, and under controlled conditions of mass transport (flow). The temperature effect studies (25 to 140 oC) were carried out in solid electrolyte using AquivionTM membrane. The monitoring of the gaseous and volatile products from EOR and the quantitative measurements for faradic efficiency calculations, at each experimental condition, were made by coupling different electrochemical cells to a Differential Electrochemical Mass Spectrometer (DEMS), allowing on-line and instant detection of the generated products. The results obtained in potentiodynamic and potentiostatic modes, at room temperature, showed higher electrocatalytic activities for the Sn-based materials. The Rh/C electrocatalyst showed the highest faradaic efficiency for the ethanol electroconversion to CO2 (25.4%) in potentiodynamic mode. However, in potentiostatic mode, the faradaic efficiencies were close to zero for all investigated electrocatalysts, which was attributed to the progressive surface poisoning by CO and CHx adsorbed species, evidenced by adsorbate stripping measurements in high potentials, using DEMS, in flow cell. The temperature effect studies showed a significant increase in electrocatalytic activity, with a strong decrease in the electrocatalyst deactivation, above 100 oC, and a maximum faradaic current at 120 oC. At this temperature, the results showed a better performance for AquivionTM when compared to the Nafion ® membrane, which was associated with its higher water retention due to short side chains, allowing higher density of sulfonic groups. On-line DEMS measurements, in potentiostatic mode, showed that the faradaic currents for the ethanol electroconversion to CO2 considerably increased at 120ºC, i. e., the efficiency improved from about zero (at 25oC) to 54.9, 31.2, 30.2, and 10.2% for Rh/C, Pt/C, Sn/Pt/C (1:3) and Sn/(PtRh)/C (1:3), respectively. Undeniably, the temperature impact was more prominent for Rh/C, and this was associated with its capacity for ethanol dehydrogenation from the methyl group, resulting in the formation of a specie adsorbed by the oxygen and by the methyl carbon atom (oxametalacycle), which facilitates the direct cleavage of the C-C bond, being the reaction rate of this step much faster at 120 oC than at 25 oC.

A eletrooxidação de etanol foi investigada sobre catalisadores bi e trimetálicos constituídos de Pt-M1 e Pt-M-M1 M = Sn, Mo, W, Ru, Os e Ir). Os eletrodos foram preparados em três diferentes configurações: eletrodos lisos (preparados em forno a arco voltaico), filmes depositados em placas de Ti (Pt-M/Ti) e nanopartículas metálicas dispersas em carbono (Pt-M-M1/C), ambos preparados pelo método Pechini. Os resultados eletroquímicos mostraram que a adição dos diferentes metais à platina aumentou a atividade catalítica dos eletrodos. Este efeito se mostrou dependente da composição do eletrodo e para os eletrodos lisos apresentou resultados mais acentuados nas composições Pt-Os e Pt-Sn-W. Os intermediários e produtos de reação da oxidação de etanol os eletrodos lisos foram determinados pelas técnicas de FTIR in situ de SPAIRS e SNIFTIRS. Os resultados sugerem que a presença dos elementos modificadores da platina aumentam a velocidade da reação de oxidação de etanol pela dessorção de intemediários com dois átomos de carbono (como CH3CHOads) a potenciais mais baixos do que a Pt levando conseqüentemente a liberação dos sítios ativos para nova adsorção de etanol. Constatou-se contudo, que a presença desses elementos não favorece a quebra da ligação C-C para formação de CO2 em quantidades apreciáveis. As composições de catalisadores Pt-M/Ti (M = Sn, Ru, Ir e Mo) preparados pelo método Pechini que apresentaram os melhores resultados em densidades de corrente foram os eletrodos de Pt-Sn/Ti. As análise por HPLC mostraram o produto majoritariamente formado foi o acetaldeído independente da composição do catalisador, mas os catalisadores Pt-Sn/Ti tiveram a maior seletividade na formação de ácido acético. Os testes em célula unitária foram realizados para os catalisadores trimetálicos Pt-Sn-W/C em diferentes composições. A presença de Sn e W aumentou significativamente o desempenho da célula com relação à Pt pura. O melhor catalisador testado (Pt-Sn-W/C (85:8:7)) apresentou OCV de 777 mV contra 345 mV da Pt a 90oC. A densidade de potência máxima alcançada para essa composição foi de 33 mW cm-2. A análise de produtos ao final de 5 horas de reação a 90oC aplicando 30 mA cm-2 de corrente mostrou que os produtos principalmente formados foram ácido acético e acetaldeído. / Ethanol oxidation on Pt-M1 e Pt/M/M1 (M = Sn, Mo, W, Ru, Os e Ir) catalysts prepared by arc melting furnace process and Pechini method was investigated. The electrochemical data showed that the addition of these elements to Pt gives a highest current densities at lower potentials. The best composition of electrodes prepared by arc melting process based on current densities values was Pt-Os and Pt-Sn-W. The intemediates and reaction products for ethanol oxidation were detected by SPAIRS and SNIFTIRS. The results sugest that adding a foreign metal to Pt leads an increase of the reaction rate for ethanol oxidation because desorption of two carbon atoms intermediates (as CH3 CHOads) at lower potentials comparing to pure Pt. The active site become then available for the new ethanol adsorption. However, the presence of these metals doesn\'t increase the selectivity to CO2 generation. Pt-M/Ti (M = Sn, Ru, Ir e Mo) catalysts were prepared by Pechini method. The products of the ethanol oxidation on these electrodes were evaluated by HPLC. The results showed that acetaldehyde was the main product obtained for all compositions. DEFCs tests were carry on with Pt-Sn-W/C ternary catalysts in different compositions. It was obtained particles size about 3.9 to 11 nm, depending on the catalyst composition. The addition of Sn and W increased significantly the DEFC performance. The best result was obtained by Pt-Sn-W/C (85:8:7) catalyst. It presents OCV about 777 mV against 345 mV to Pt at 90oC. The maximum of power density for this catalyst was 33 mW cm-2. Acetaldehyde was the major product formed when applying a fixed current of 30 mA cm-2 at 90oC.

A eletrooxidação de etanol foi investigada sobre catalisadores bi e trimetálicos constituídos de Pt-M1 e Pt-M-M1 M = Sn, Mo, W, Ru, Os e Ir). Os eletrodos foram preparados em três diferentes configurações: eletrodos lisos (preparados em forno a arco voltaico), filmes depositados em placas de Ti (Pt-M/Ti) e nanopartículas metálicas dispersas em carbono (Pt-M-M1/C), ambos preparados pelo método Pechini. Os resultados eletroquímicos mostraram que a adição dos diferentes metais à platina aumentou a atividade catalítica dos eletrodos. Este efeito se mostrou dependente da composição do eletrodo e para os eletrodos lisos apresentou resultados mais acentuados nas composições Pt-Os e Pt-Sn-W. Os intermediários e produtos de reação da oxidação de etanol os eletrodos lisos foram determinados pelas técnicas de FTIR in situ de SPAIRS e SNIFTIRS. Os resultados sugerem que a presença dos elementos modificadores da platina aumentam a velocidade da reação de oxidação de etanol pela dessorção de intemediários com dois átomos de carbono (como CH3CHOads) a potenciais mais baixos do que a Pt levando conseqüentemente a liberação dos sítios ativos para nova adsorção de etanol. Constatou-se contudo, que a presença desses elementos não favorece a quebra da ligação C-C para formação de CO2 em quantidades apreciáveis. As composições de catalisadores Pt-M/Ti (M = Sn, Ru, Ir e Mo) preparados pelo método Pechini que apresentaram os melhores resultados em densidades de corrente foram os eletrodos de Pt-Sn/Ti. As análise por HPLC mostraram o produto majoritariamente formado foi o acetaldeído independente da composição do catalisador, mas os catalisadores Pt-Sn/Ti tiveram a maior seletividade na formação de ácido acético. Os testes em célula unitária foram realizados para os catalisadores trimetálicos Pt-Sn-W/C em diferentes composições. A presença de Sn e W aumentou significativamente o desempenho da célula com relação à Pt pura. O melhor catalisador testado (Pt-Sn-W/C (85:8:7)) apresentou OCV de 777 mV contra 345 mV da Pt a 90oC. A densidade de potência máxima alcançada para essa composição foi de 33 mW cm-2. A análise de produtos ao final de 5 horas de reação a 90oC aplicando 30 mA cm-2 de corrente mostrou que os produtos principalmente formados foram ácido acético e acetaldeído. / Ethanol oxidation on Pt-M1 e Pt/M/M1 (M = Sn, Mo, W, Ru, Os e Ir) catalysts prepared by arc melting furnace process and Pechini method was investigated. The electrochemical data showed that the addition of these elements to Pt gives a highest current densities at lower potentials. The best composition of electrodes prepared by arc melting process based on current densities values was Pt-Os and Pt-Sn-W. The intemediates and reaction products for ethanol oxidation were detected by SPAIRS and SNIFTIRS. The results sugest that adding a foreign metal to Pt leads an increase of the reaction rate for ethanol oxidation because desorption of two carbon atoms intermediates (as CH3 CHOads) at lower potentials comparing to pure Pt. The active site become then available for the new ethanol adsorption. However, the presence of these metals doesn\'t increase the selectivity to CO2 generation. Pt-M/Ti (M = Sn, Ru, Ir e Mo) catalysts were prepared by Pechini method. The products of the ethanol oxidation on these electrodes were evaluated by HPLC. The results showed that acetaldehyde was the main product obtained for all compositions. DEFCs tests were carry on with Pt-Sn-W/C ternary catalysts in different compositions. It was obtained particles size about 3.9 to 11 nm, depending on the catalyst composition. The addition of Sn and W increased significantly the DEFC performance. The best result was obtained by Pt-Sn-W/C (85:8:7) catalyst. It presents OCV about 777 mV against 345 mV to Pt at 90oC. The maximum of power density for this catalyst was 33 mW cm-2. Acetaldehyde was the major product formed when applying a fixed current of 30 mA cm-2 at 90oC.

Este trabalho descreve estudos eletroquímicos e espectroscópicos da eletrooxidação de etanol, acetaldeído e ácido acético sobre uma superfície de platina monocristalina de baixo índice de Miller 110 modificada por ósmio (Os). O eletrodo monocristalino de Pt(110) foi modificado por Os espontaneamente e pela aplicação de potencial. Os eletrodos foram caracterizados eletroquimicamente, de forma que foram obtidos valores baixos, intermediários e altos de Os sobre a superfície de Pt(110). A eletrooxidação de etanol sobre Pt(110) e Pt(110)/Os, analisada pelas técnicas de voltametria cíclica e cronoamperometria, mostrou que as densidades de corrente para essa reação foram maiores nos graus de recobrimento entre 0,51 – 0,61 ML. A partir dos resultados de FTIR in situ, verificou-se que a reação de oxidação de etanol difere em seus caminhos de acordo com o grau de recobrimento de Os. O caminho um sugere a quebra da ligação C—C com maior intensidade em graus de recobrimento entre 0,36 – 0,80 ML, formando espécies como COlinear, CHx e, posteriormente, CO2. O caminho dois mostra a formação de acetaldeído a partir de 0,4 V sobre os eletrodos Pt(110) e Pt(110)/Os, e que pode haver ainda a produção de CO e ácido acético a partir desse orgânico sobre eletrodos com HOs > 0,80 ML, a baixos potenciais. O estudo realizado com acetaldeído mostrou que o desempenho na oxidação desse orgânico foi sutilmente maior para os eletrodos modificados por Os. O caminho três apresenta a produção de CO2 proveniente da oxidação de etanol diretamente a ácido acético sobre eletrodos com alto grau de recobrimento. Durante a oxidação ocorre a formação a baixos potenciais de COlinear em grandes quantidades. Além disso, há produção de ácido acético e posteriormente de CO2. Ainda nos eletrodos espessos, a produção de CO2 ocorre sem que se observe a presença de COlinear, indicando a possibilidade da oxidação de ácido acético a CO2. A eletrooxidação de ácido acético sobre os diversos eletrodos de Pt(110)/Os mostra que ocorre a quebra dessa molécula para formar CO2, embora de forma menos expressiva que as demais moléculas estudadas. Sendo que parte do CO2 produzido provavelmente tem sua origem no grupo COO- que está adsorvido sobre a superfície do eletrodo. / This work reports the electrochemical and spectroscopic results of ethanol, acetaldehyde and acetic acid electrooxidation onto low index platinum single crystal surface (110) modified by osmium (Os). The Pt(110) electrode was modified by spontaneous and electroless Os deposition and checked electrochemically in order to obtain low, intermediate and high Os coverages on Pt(110). The ethanol electrooxidation on Pt(110) and Pt(110)/Os, which used voltammetric cycle and cronoamperometric techniques, showed higher currents toward this reaction on Os coverage between 0.51-0.61 ML. The FTIR results reveal that ethanol oxidation has different pathways according to Os coverage. The step one suggests that the cleavage of ethanol C—C bond occurs with major intensity forming species such as COlinaer and CHx when the reached coverage is 0.36 – 0.80 ML and further producing CO2. At the step two, acetaldehyde formation is improved above 0.4 V on Pt(110) and Pt(110)/Os, and at low potentials on HOs > 0.80 ML, this molecule can oxidize and form CO and acetic acid. Studies on acetaldehyde showed that the catalytic activity is slightly higher on electrodes modified by Os. The step three presents the CO2 production through acetic acid onto electrodes with high Os coverage. During the oxidation of this molecule, COlinear is produced in large quantities at low potentials; there is formation of acetic acid and thereupon CO2. Onto Os thick electrode, CO2 production occurs without the presence of COlinear, indicating the possibility of acetic acid oxidation directly to CO2. The acetic acid oxidation on various electrodes modified by Os is possible with cleavage of C—C bond to form CO2, though this process is less significant than others organic molecules studied. Since the amount of CO2 produced can arise through the acetate group once this specie is adsorbed onto the electrode surface.

O desenvolvimento de células a combustível de etanol direto ou de reformadores eletroquímicos de etanol para a produção de hidrogênio, é limitado pela dificuldade da quebra da ligação C-C durante o curso da reação de oxidação de etanol (ROE), necessária para a completa eletroconversão ou alta eficiência para a formação de CO2. Diante desse contexto, este estudo teve como objetivo investigar os efeitos da composição dos eletrocatalisadores e da temperatura na eficiência faradaica da ROE para formação de CO2 e, assim, avançar no conhecimento dos fatores que governam a cinética de reação. Os eletrocatalisadores investigados foram formados por nanopartículas de Rh/C, Pt/C, Sn/Pt/C (1:3), Sn/Ir/C (1:3), Sn/(PtRh)/C (1:3) e Sn/(IrRh)/C (1:3), e sintetizadas pelo método de impregnação/decomposição térmica, seguido por tratamento em atmosfera de hidrogênio a 300 oC por 3 horas. As atividades eletrocatalíticas foram investigadas em temperatura ambiente (25 oC), em meio ácido, com eletrólito líquido estagnante e em condições controladas de transporte de massa (fluxo). Os estudos do efeito da temperatura (25 a 140 oC) foram conduzidos em eletrólito sólido utilizando-se membrana de AquivionTM. O monitoramento dos produtos gasosos e voláteis oriundos da ROE, e as medidas quantitativas para os cálculos de eficiência faradaica, em cada condição, foram feitos por meio do acoplamento de diferentes células eletroquímicas com um espectrômetro de massas do tipo DEMS (Differential Electrochemical Mass Spectrometry), permitindo a detecção on-line e instantânea. Os resultados obtidos em modos potenciodinâmico e potenciostático, em temperatura ambiente, mostraram maiores atividades eletrocatalíticas para os materiais contendo estanho. O eletrocatalisador de Rh/C apresentou a maior eficiência faradaica para a eletroconversão de etanol a CO2 (25,4%) em modo potenciodinâmico. No entanto, em modo potenciostático, as eficiências faradaicas foram próximas de zero para todos os eletrocatalisadores investigados, o que foi atribuído ao envenenamento progressivo por CO e espécies CHx adsorvidas, conforme evidenciado por medidas de stripping de adsorbatos em altos potenciais, feitas por DEMS em célula de fluxo. Os estudos do efeito da temperatura mostraram um aumento significativo da atividade eletrocatalítica, com forte diminuição da desativação do eletrocatalisador acima de 100 oC, e um máximo de corrente faradaica em 120 oC. Nesta temperatura, os resultados mostraram melhor desempenho para a membrana de AquivionTM quando comparado com a membrana de Nafion®, o que foi associado à sua maior capacidade de retenção de água devido à presença de cadeias laterais curtas, que possibilitam maior densidade de grupos sulfônicos. Medidas de DEMS on-line, em modo potenciostático, mostram que as eficiências faradaicas para a eletroconversão de etanol a CO2 aumentaram consideravelmente quando a temperatura passou de 25 ºC à 120 oC. Os valores aumentaram de aproximadamente zero para 54,9, 31,2, 30,2, e 10,2% para Rh/C, Pt/C, Sn/(PtRh)/C (1:3), e Sn/Pt/C (1:3), respectivamente. O impacto da temperatura foi, portanto, mais proeminente para Rh/C e isso foi associado à sua capacidade de desidrogenação do grupo metila, resultando na formação de uma espécie adsorvida pelo átomo de oxigênio e pelo átomo de carbono do grupo metila (oxametalacycle), o que facilita a quebra direta da ligação C-C, sendo a velocidade deste passo muito mais rápida em 120 oC do que em 25 oC. / The development of direct ethanol fuel cells or electrochemical ethanol reformers for hydrogen production, is limited by the difficulty of cleaving the C-C bond throughout the ethanol oxidation reaction (EOR), which is required for complete electroconversion or high efficiency for CO2 formation. In this context, this study aimed to investigate the effects of the electrocatalyst composition and temperature, on the faradaic efficiency during the EOR for CO2 formation and, thus, to advance in the knowledge of the factors that govern the reaction kinetics. The investigated electrocatalysts were formed by Sn/Pt/C (1:3), Sn/Ir/C (1:3), Sn/(PtRh)/C (1:3), and Sn/(IrRh)/C (1:3) nanoparticles and synthesized by thermal impregnation/decomposition method, followed by heat treatment under hydrogen atmosphere at 300 oC for 3 hours. The electrocatalytic activities were investigated at room temperature (25 oC), in acid medium, with stagnant liquid electrolyte, and under controlled conditions of mass transport (flow). The temperature effect studies (25 to 140 oC) were carried out in solid electrolyte using AquivionTM membrane. The monitoring of the gaseous and volatile products from EOR and the quantitative measurements for faradic efficiency calculations, at each experimental condition, were made by coupling different electrochemical cells to a Differential Electrochemical Mass Spectrometer (DEMS), allowing on-line and instant detection of the generated products. The results obtained in potentiodynamic and potentiostatic modes, at room temperature, showed higher electrocatalytic activities for the Sn-based materials. The Rh/C electrocatalyst showed the highest faradaic efficiency for the ethanol electroconversion to CO2 (25.4%) in potentiodynamic mode. However, in potentiostatic mode, the faradaic efficiencies were close to zero for all investigated electrocatalysts, which was attributed to the progressive surface poisoning by CO and CHx adsorbed species, evidenced by adsorbate stripping measurements in high potentials, using DEMS, in flow cell. The temperature effect studies showed a significant increase in electrocatalytic activity, with a strong decrease in the electrocatalyst deactivation, above 100 oC, and a maximum faradaic current at 120 oC. At this temperature, the results showed a better performance for AquivionTM when compared to the Nafion ® membrane, which was associated with its higher water retention due to short side chains, allowing higher density of sulfonic groups. On-line DEMS measurements, in potentiostatic mode, showed that the faradaic currents for the ethanol electroconversion to CO2 considerably increased at 120ºC, i. e., the efficiency improved from about zero (at 25oC) to 54.9, 31.2, 30.2, and 10.2% for Rh/C, Pt/C, Sn/Pt/C (1:3) and Sn/(PtRh)/C (1:3), respectively. Undeniably, the temperature impact was more prominent for Rh/C, and this was associated with its capacity for ethanol dehydrogenation from the methyl group, resulting in the formation of a specie adsorbed by the oxygen and by the methyl carbon atom (oxametalacycle), which facilitates the direct cleavage of the C-C bond, being the reaction rate of this step much faster at 120 oC than at 25 oC.