[ES] En los últimos años, debido al aumento de la contaminación global y su impacto sobre el medio ambiente, se ha puesto especial énfasis en el desarrollo de nuevos procesos catalíticos respetuosos con el medioambiente. La síntesis de nuevos materiales, para su aplicación como catalizadores activos y selectivos en procesos de petroquímica y de eliminación de contaminantes, es uno de los campos de investigación más activo dentro del área de los procesos químicos. Entre los diferentes tipos de materiales, se ha puesto de manifiesto el interés en el desarrollo de catalizadores basados en óxidos mixtos no estequiométricos, empleados para reacciones de oxidación parcial de hidrocarburos y de derivados de la biomasa, o incluso para la eliminación de contaminantes. En la presente tesis doctoral se estudia, de forma comparativa, la síntesis y caracterización de bronces de óxidos de vanadio del tipo MxV2O5 (donde M = Na, Ag, Ca y Cu), en especial aquellos con estructura β-MxV2O5 (β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5), y su empleo como catalizadores para la oxidación parcial de sulfuro de hidrógeno a azufre elemental y para la oxidación parcial de etanol y metanol. En primer lugar, se prepararon los catalizadores por el método hidrotermal y fueron caracterizados mediante el empleo de diferentes técnicas físico-químicas: adsorción de N2, DRX, TPR-H2, microscopía electrónica de barrido (SEM), EDX y las espectroscopias Raman, FTIR y XPS. Los resultados de la caracterización mostraron que las características estructurales y texturales de los materiales sintetizados dependen del precursor metálico y de la relación M/V empleada en el gel de síntesis. Pero, además, ambos factores afectan de forma diferente dependiendo del metal y del bronce de óxido de vanadio estudiado. A continuación, se estudió el comportamiento catalítico de materiales basados en bronces de óxido de vanadio, tales como β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5. Pero también, la influencia de la presencia de otras fases cristalinas (V2O5, vanadatos metálicos y otros tipos de bronces de vanadio MxV2O5) sobre la actividad catalítica y la selectividad para la reacción de oxidación parcial de sulfuro de hidrógeno. Los resultados que se exponen en la presente memoria, confirman que los bronces de óxido de vanadio con estructura monoclínica (β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5) son activos y selectivos en la reacción de oxidación parcial de H2S a azufre. Además, la actividad aumenta con la reducibilidad del bronce debido no sólo a la presencia de pares V4+-O-V5+, sino también, a la influencia del metal incorporado (Mn+···V4+-O-V5+) que afecta de manera diferente a las propiedades redox de los átomos de vanadio. Por otra parte, la caracterización de los catalizadores después de reacción muestra que la estructura cristalina de dichos bronces es estable durante la reacción, mientras que la presencia de otras fases (V2O5 o vanadato) da lugar a una disminución de la actividad catalítica y de la estabilidad de dichos catalizadores. Finalmente, el estudio comparativo de la oxidación parcial de metanol y etanol sobre los bronces de óxido de vanadio (β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5) confirman que estos materiales son también activos y selectivos a la formación del correspondiente aldehído, si bien el comportamiento catalítico (cuando comparamos la selectividad a altas conversiones de alcohol) depende no sólo de la habilidad redox de los átomos de vanadio (y la posible velocidad de reoxidación del catalizador durante la reacción), sino también de las características ácidas de estos materiales, impurezas de Na+ y Ca2+, y reactividad del alcohol. Del estudio de la transformación aeróbica de ambos alcoholes se desprende que la actividad catalítica para la conversión de etanol es mayor que para la conversión de metanol. Además, en general, la selectividad a formaldehído (a partir de metanol) o acetaldehído (a partir de etanol) es similar entre ellos, y también similar al V2O5. Esto podría estar relacionado con la influencia del estado de oxidación de los átomos de vanadio en los catalizadores durante la reacción, lo que podría ser consecuencia de pequeños cambios con respecto a lo observado para la reacción de oxidación de H2S. También se discuten las diferencias en el mecanismo de reacción para la transformación de ambas moléculas. / [EN] In last years, the increase in global pollution and its negative impact on the environment has led to the development of new environmentally friendly catalytic processes. The synthesis of new materials, for application as active and selective catalysts in petrochemical and pollutant removal processes, it is one of the most active fields of research in the area of chemical processes. There is special interest in the development of catalysts based on non-stoichiometric mixed, used for partial oxidation reactions of hydrocarbons and biomass derivatives, or even for the removal of contaminants. The present doctoral thesis presents a study, in a comparative way, on the synthesis and characterization of MxV2O5 vanadium oxide bronzes (for M=Na, Ag, Ca y Cu), specifically catalysts with structure ß-MxV2O5 (ß-Na0,33V2O5, ß-Ag0,333V2O5, ß-Ca0,17V2O5 and ß-Cu0,261V2O5), and its use as catalyst in the partial oxidation of hydrogen sulphide to sulphur and partial oxidation of ethanol and methanol. Firstly, it was prepared the catalysts by hydrothermal method and the physic-chemical characterizations of catalysts have been determined by using: adsorption of N2, DRX, TPR-H2, scanning electron microscope (SEM), EDX, Raman spectroscopy, FTIR and XPS. The results of characterization showed that the structural and textural properties of the synthesized materials depend on the metal precursor and the M/V ratio used in the synthesis gel. But, in addition, both factors affect differently depending on the type of metal and the vanadium oxide bronze studied. In a second step, the catalytic behaviour of materials based on vanadium oxide bronzes, such as ß-MxV2O5, were studied. Also, it has been studied the influence of the presence other crystalline phases (V2O5, metal vanadate and other vanadium bronzes MxV2O5) on the catalytic performance of these catalysts for the partial oxidation of H2S to sulphur. The results have allowed us to confirm that the vanadium oxide bronzes (ß-MxV2O5) are active and selective in the partial oxidation of H2S to sulphur. In addition, the catalytic activity increases with the catalyst reducibility, due not only to the presence of V4+-O-V5+ pairs in these bronzes, but also to the influence of the incorporated metal (Mn+···V4+-O-V5+) that differently affects the redox properties of vanadium atoms. On the other hand, the characterization of the catalysts after reaction shows that the ß-MxV2O5 crystalline structure is stable during the partial oxidation of H2S, while catalysts presenting other crystalline phases (V2O5 or vanadate) decrease both the catalytic activity and the stability of some catalysts. Finally, a comparative study of the partial oxidation of methanol and ethanol (to formaldehyde and acetaldehyde, respectively) on vanadium oxide bronzes (ß-MxV2O5) have confirmed that these materials are active and selective to the formation of the corresponding aldehyde. However, their catalytic behaviour (especially when comparing selectivity at high alcohol conversion) strongly depends not only on the redox ability of vanadium atoms (and the possible rate of catalyst reoxidation during the reaction), but also of the acidic characteristics of these materials, impurities of Na+ or Ca2+, and the reactivity of alcohols. The study of the aerobic transformation of both alcohols shows that the catalytic activity for the conversion of ethanol is greater than for the conversion of methanol. In addition, in general, similar results to formaldehyde (from methanol) or acetaldehyde (from ethanol) have been observed, presenting also selectivity to aldehyde similar to pure V2O5. This could be related to influences on the oxidation states of vanadium atoms in the catalysts during the reaction, which could be as a consequence of small changes with respect to observed during the H2S oxidation. Also, it was discussed the differences in the mechanism of reaction for the transformation of both methanol and ethanol. / [CA] Als últims anys, a causa de l’augment de la contaminació global i l’impacte sobre el medi ambient, s’ha posat especial èmfasi en el desenvolupament de nous processos catalítics respectuosos amb el medi ambient. La síntesi de nous materials, per a la seua aplicació com a catalitzadors actius i selectius en processos de petroquímica i d’eliminació de contaminants, el qual és un dels camps d’ investigació més actiu de l’àrea dels processos químics. I, entre els diferents tipus de materials, s’ha posat de manifest l’interès en el desenvolupament de catalitzadors basats en òxids mixtes no estequiomètrics, empleats per reaccions d’oxidació parcial d´hidrocarburs i de derivats de la biomassa, o fins i tot per l’eliminació de contaminants. En la present tesi doctoral s’estudia, de forma comparativa, la síntesi i caracterització de bronzes d’òxid de vanadi del tipus MxV2O5 (on M = Na, Ag, Ca y Cu), en especial aquells amb estructura β-MxV2O5 (β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5), i la seua utilització com a catalitzadors per a l’oxidació parcial de sulfurs d’hidrogen a sofre elemental i per a l’oxidació parcial d’etanol i metanol. En primer lloc, es van preparar els catalitzadors pel mètode hidrotermal i van ser caracteritzats per la utilització de tècniques fisicoquímiques: adsorció de N2 (SBET), DRX, TPR-H2, microscòpia de barrejada (SEM), EDX i les espectroscòpies Raman, FTIR i XPS. Els resultats de la caracterització mostraren que les característiques estructurals i texturals dels materials sintetitzats depenen del precursor metàl·lic i de la relació M/V empleada en el gel de síntesi. Però a més a més, tots dos factors afecten de forma diferent depenent del tipus de metall i del bronze de òxid de vanadi estudiat. A continuació, es va estudiar el comportament catalític de materials basats en bronzes d’òxid de vanadi, tals com β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5. Però, també l’influencia de la presencia d’impureses d’altres fases cristal·lines (com el V2O5, vanadats metàl·lics i altres tipus de bronzes de vanadi xV2O5) sobre l’activitat catalítica i la selectivitat per a la reacció d’oxidació parcial de sulfur d’hidrogen a sofre elemental. Els resultats que s’exposen en la present memòria, confirmen que els bronzes d’òxid de vanadi en estructura monoclínica (β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5)són actius i selectius en la reacció d’oxidació parcial de H2S. I, a mes a més, l’activitat augmenta en la reductibilitat del bronze degut no sols a la presència de pars V4+-O-V5+ en aquests bronzes, sinó també la influència del metall incorporat (Mn+···V4+-O-V5+) que afecta de manera diferent les propietats redox dels àtoms de vanadi. Per altra banda, la caracterització dels catalitzadors després de la reacció, mostra que l’estructura cristal·lina d’aquests bronzes és estable durant la reacció, mentrestant la presència d’altres fases (V2O5 o vanadat) dona lloc a la disminució de l’activitat catalítica i de l’estabilitat de aquests catalitzadors. Finalment, l’estudi comparatiu de l’oxidació parcial de metanol i etanol sobre els bronzes de òxid de vanadi (β-Na0,33V2O5, β-Ag0,333V2O5, β-Ca0,17V2O5 y β´-Cu0,261V2O5) confirmen que aquests materials són també actius i selectius a la formació del corresponent aldehid, si bé el comportament catalític (quan comparem la selectivitat a altes conversions d’alcohol) depén no sols de l’habilitat redox dels àtoms de vanadi (i la possible velocitat de re-oxidació del catalitzador durant la reacció), sinó també de les característiques àcides d’aquests materials, impureses de Na+ i Ca2+, ireactivitat de l´alcohol. De l’estudi de la transformació aeròbica d’ambdós alcohols es desprén que l’activitat catalítica per a la conversió d’etanol és major que per a la conversió de metanol. Aleshores, en general, la selectivitat a formaldehid (a partir de metanol) o la selectivitat a acetaldehid (a partir d’etanol) és similar entre ells, i també similar al V2O5. Això podria estar relacionat amb la influència de l´estat d´oxidació dels àtoms de vanadi en els catalitzadors durant la reacció, el que podria ser conseqüència de xicotets canvis respecte a allò observat per a la reacció d’oxidació de H2S. També es discuteix les diferències als mecanismes de reacció per a la transformació d’ambdues molècules. / Ruiz Rodríguez, L. (2020). Bronces de óxido de vanadio como catalizadores para la activación selectiva de enlaces C-H y S-H [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149488

Abstract This Doctoral Thesis presents a study on the synthesis and characterization of materials based on tungsten bronze partially substituted with transition metals and / or alkaline metals, with hexagonal bronze structure (HTB), to be used as catalysts in the aerobic transformation of methanol to dimethyl ether and/or formaldehyde. Active and selective binary W-X-O catalysts (X = Ti, V or Mo) for methanol transformation, are obtained by hydrothermal synthesis and subsequent thermal treatment in nitrogen at temperatures between 400 and 600 °C. The nature of the active sites (acids and / or redox, depending on the composition of the catalyst) determines the distribution of products (dimethyl ether and/or formaldehyde, respectively). Subsequently, the synthesis and characterization of ternary W-V-M catalysts (M = Mo, Nb or alkali metal) have been studied in order to improve the selectivity to formaldehyde and dimethyl ether. The three types of ternary catalysts studied improve the formation of formaldehyde, although following different strategies: i) increasing the amount of redox sites (W-V-Mo); Ii) decreasing the strength of the acid sites (W-V-Nb) or iii) decreasing the density of acid sites (W-V-alkaline). A second aspect is related to the nature of the vanadium sites, since the presence of a second promoter limits both the amount of vanadium in the material and the oxidation state of vanadium species, which would explain the better selectivity to partial oxidation products obtained by the ternary catalysts. Finally, a comparative study has been carried out between aerobic and anaerobic conditions using some of the most representative catalysts. A study by infrared spectroscopy of adsorbed methanol (in the presence or absence of oxygen) can explain the reaction mechanism (acid and/or redox) of these materials, as well as the factors that influence the deactivation of the catalyst when working under anaerobic conditions. / Resumen La presente tesis doctoral presenta un estudio sobre la síntesis y caracterización de materiales basados en bronces de wolframio parcialmente sustituidos con metales de transición y/o metales alcalinos, con estructura de bronce hexagonal (HTB), para ser empleados como catalizadores en la transformación aeróbica de metanol a dimetiléter y/o formaldehído. Mediante síntesis hidrotermal y posterior tratamiento térmico en nitrógeno a temperaturas entre 400 y 600 °C se obtienen catalizadores binarios W-X-O (X = Ti, V o Mo), activos y selectivos para la transformación de metanol. La naturaleza de los centros activos (ácidos y/o redox, dependiendo de la composición del catalizador) determina la distribución de productos (dimetiléter y/o formaldehido, respectivamente). Posteriormente, se ha estudiado la síntesis y caracterización de sistemas ternarios W-V-M (M = Mo, Nb o metal alcalino) con el fin de mejorar la relación de selectividades a formaldehido y dimetiléter. Los tres tipos de catalizadores mejoran la formación de formaldehido, aunque siguiendo estrategias diferentes: i) aumentando los centros redox (W-V-Mo); ii) disminuyendo la fortaleza de los centros ácidos (W-V-Nb); o iii) eliminando la densidad de centros ácidos (W-V-alcalino). Un segundo aspecto está relacionado con la naturaleza de los centros de vanadio, dado que la presencia de un segundo promotor limita tanto la cantidad de vanadio en el material como el estado de oxidación de las especies vanadio, lo que explicaría la mejor selectividad a productos de oxidación parcial de los catalizadores ternarios. Finalmente, se ha llevado a cabo un estudio comparativo entre condiciones aeróbicas y anaeróbicas usando algunos de los catalizadores más representativos. Un estudio por espectroscopia infrarroja de metanol adsorbido (en presencia y ausencia de oxígeno) permiten explicar el mecanismo de reacción (ácido y/o redox) de estos materiales, así como los factores que influyen en la desactivación del catalizador cuando se trabaja en condiciones anaeróbicas. / Resum La present tesi doctoral presenta un estudi sobre la síntesi i caracterització de materials basats en bronzes de wolframi parcialment substituït amb metalls de transició i/o metalls alcalins, amb estructura de bronze hexagonal (HTB), per a ser utilitzats com a catalitzadors en la transformació aeròbica de metanol a dimetilèter i/o formaldehid. Se han sintetitzat catalitzadors binaris W-X-O (X = Ti, V o Mo), actius i selectius en la transformació de metanol, mitjançant síntesi hidrotermal i posterior tractament tèrmic en nitrogen a temperatures entre 400 i 600 °C. La naturalesa dels centres actius (àcids i/o redox, depenent de la composició del catalitzador) determina la distribució de productes (dimetilèter i/o formaldehid, respectivament). Posteriorment, s'ha estudiat la síntesi i caracterització de sistemes ternaris W-V-M (M = Mo, Nb o metall alcalí) per tal de millorar la relació de selectivitats a formaldehid i dimetilèter. Els tres tipus de catalitzadors ternaris milloren la formació de formaldehid, encara que seguint estratègies diferents: i) augmentant la quantitat de centres redox (W-V-Mo); ii) disminuint la fortalesa dels centres àcids (W-V-Nb); o iii) disminuint la densitat de centres àcids (W-V-alcalí). Un segon aspecte està relacionat amb la naturalesa dels centres de vanadi, atès que la presència d'un segon promotor limita tant la quantitat de vanadi en el material com l'estat d'oxidació de les espècies vanadi, la qual cosa explicaria la millor selectivitat a productes de oxidació parcial dels catalitzadors ternaris. Finalment, s'ha dut a terme un estudi comparatiu entre condicions aeròbiques i anaeròbiques usant alguns dels catalitzadors més representatius. Un estudi per espectroscòpia infraroja de metanol adsorbit (en presència i absència d'oxigen) permeten explicar el mecanisme de reacció (àcid i / o redox) d'aquests materials, així com els factors que influeixen en la desactivació del catalitzador quan es treballa en condicions anaeròbiques. / Zamora Blanco, S. (2017). TRANSFORMACIÓN CATALÍTICA SELECTIVA DE METANOL SOBRE CATALIZADORES BASADOS EN ÓXIDOS MIXTOS METÁLICOS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90552

A eletro-oxidação de ácido fórmico vem sendo discutida por muito tempo na literatura, em particular, a natureza do intermediário ativo no caminho direto tem sido debatida. Recentemente alguns grupos relataram novos aspectos deste processo por meio da análise da oxidação de ácido fórmico e sua dependência com o pH da solução. A maioria dos estudos, no entanto, foi realizado sob condições convencionais, ou seja, próximas ao estado de equilíbrio termodinâmico. Alternativamente, o sistema pode ser estudado longe do equilíbrio pelo controle da corrente, nessas condições a oxidação de moléculas orgânicas pequenas sobre platina pode apresentar a formação de padrões e mostrar comportamentos oscilatórios. Pelas condições drasticamente diferentes se poderia alcançar um melhor entendimento do rede complexo de reação, qual fica escondido em experimentos convencionais. Dessa maneira, a dependência do pH de oxidação de ácido fórmico foi revisitada em voltametria cíclica e estendida a uma ampla região de temperatura e condições oscilatórias. Algumas observações adicionais podem ser obtidas: a) a dependência do pH, como relatada anteriormente, pode ser reproduzida, reforçando a proposição do formiato mais provável como espécie ativa, em lugar do ácido fórmico; b) em meio ácido um terceiro caminho ao lado dos caminhos direito e indireto poderia ser ativo; c) padrões oscilatórios foram encontrados em meio alcalino e evidenciaram o carácter bloqueante de espécies oxigenadas como responsável pela formação de padrões; d) geralmente, todos os processos envolvidos diretamente ou indiretamente, podem ser muito propensos a variações pequenas no pH e temperatura da solução, que a atividade deles pode mudar significativamente e o sistema apresentar resultados diferentes sob condições similares. Adicionalmente, os estudos foram estendidos à oxidação de metanol, qual permitido um visto diferenciado na adsorção de espécies carbonáceas e oxigenadas, as quais principalmente poderiam ter caráter inibitório. Apesar disso, como os resultadas mostraram sob algumas condições, uma interação efetiva de ambas espécies via o mecanismo de Langmuir-Hinshelwood pode ocorrer, que o caminho direito da oxidação pode mostrar uma atividade mais alta e as padrões oscilatórios desaparecem. Observou-se ainda que o ácido fórmico produzido como subproduto parcialmente oxidado poderia ter um papel importante na reação da eletro-oxidação de metanol. Ao fim foi encontrado que não apenas ajustamentos como ligar platina com ouro pode melhorar o desempenho do catalisador pelos efeitos eletrônicos e ligantes, mas também modificações no conteúdo da solução, como a oxidação simultânea do ácido fórmico e metanol poderiam permitir um aumento no desempenho. Em ambos os casos a formação de CO pode ser oprimida, que o processo mais ativo, notadamente a oxidação direta do ácido fórmico é mais pronunciada. / The electro-oxidation of formic acid remained under discussion for a long time in literature, where especially the active intermediate in the direct oxidation pathway was discussed controversially. Recently some groups reported new insight by the analysis of the formic acid oxidation in dependence on the bulk solution pH. Yet, the majority of the studies are carried out under conventional conditions, which are close to the thermodynamic equilibrium. On the other hand the system can be driven far from equilibrium by controlling the current, conditions where the oxidation of small organic molecules over platinum may undergo pattern formation and show oscillatory behaviour. Due to the drastically different conditions one may get a better understanding of the complex reaction network, which remains hidden in conventional experiments. Thus, the pH dependence of formic acid oxidation was revisited under steady state voltammetry and extended to a wide temperature range and oscillating conditions. Here insight could be given in various points: a) the pH dependence, as reported earlier, could be reproduced and strongly suggests formate rather than formic acid as most active species; b) in acidic media a third pathway beside direct and indirect ones may be active; c) newly found oscillation patterns in alkaline media revealed the site blocking character of adsorbed water species as possible origin for pattern formation; and d) generally, all surface processes, which are directly or indirectly involved, can be very susceptible to small variations in the bulk solution pH and temperature, that their activity can change significantly and the system emerge different results under similar conditions. Further effort was done to extend the study to methanol oxidation, which allowed a differentiated view on the adsorption of carbonaceous and oxygenated species, which may have mostly inhibiting character. Yet, as the results showed under some conditions, an effective interaction of both species via Langmuir-Hinshelwood mechansim can be realized, that the direct oxidation pathway can undergo higher activity and oscillation patterns may cease. It could also be found, that the produced formic acid as partially oxidized by-product may have a crucial role in the reaction network of the electro-oxidation of methanol. At last it could be found, that not just adjustments like alloying of platinum with gold can enhance the catalyst performance by electronic and ligand effects, but also modifications in the solution content, such as simultaneous oxidation of formic acid and methanol allow an increasing performance. In both ways the formation of CO can be suppressed, that the most active process, namely the direct oxidation of formic acid is more pronounced.

A tecnologia de células a combustível associada à crescente exigência de baixo impacto ambiental tornou-se bastante promissora no cenário mundial de energia. As células a combustível são, em princípio, dispositivos que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica, possuindo, entretanto, uma operação contínua, graças à alimentação constante de um combustível. Particularmente, o negro de fumo Vulcan XC72 é usualmente empregado como suporte dos eletrocatalisadores, e alguns fatores como uma superfície acessível e área superficial suficientemente grande para uma máxima dispersão dos cristalitos dos eletrocatalisadores, além de tamanho dos poros, distribuição dos poros adequada e a presença de grupos funcionais na superfície do negro de fumo são considerados fundamentais para o desenvolvimento de materiais inovadores. Entretanto, o material denominado Vulcan XC72 ainda revela condições insuficientes para este fim. Este estudo consiste na preparação e caracterização físico-química de carbono funcionalizado por peróxido de hidrogênio e com cadeias poliméricas do tipo poliestireno sulfonado condutoras de prótons, visando sua posterior utilização como suporte de eletrocatalisadores para células a combustível tipo PEMFC e DMFC. Após a funcionalização do carbono, obteve-se uma melhora da dispersibilidade do negro de fumo em solução aquosa, efeito este benéfico para a preparação dos eletrocatalisadores. Observou-se também que os grupos funcionais e as cadeias poliméricas funcionaram como estabilizadores do crescimento dos cristalitos produzindo catalisadores mais homogêneos e com menor diâmetro médio dos cristalitos; e especialmente, no caso da funcionalização com cadeias poliméricas, obteve-se uma diminuição da queda ôhmica do sistema, referente à melhoria da transferência protônica. / The fuel cell technology associated with the growing exigency of low environmental impact energy became prosperous in the world energy scenery. The fuel cell is basically a device that converts directly the chemical energy of a fuel into electrical and thermal energy with a continuous operation by the constant feed of a fuel. Especially, the carbon black Vulcan XC72 is usually employed as an electrocatalyst support, and some factors as an accessible and high surface area in order to get maximum particles dispersion, pore size, adequate pore distribution and the presence of functional groups in the carbon black surface are considered fundamental characteristics for an innovative materials development. However, the Vulcan XC72 still reveals insufficient conditions for these purposes. This study consists in the preparation and in the physical chemical characterization of functionalized carbon black by hydrogen peroxide and by polymeric chains with proton conduction properties, and its posterior utilization as electrocatalyst support for PEMFC and DMFC application. After the carbon functionalization, an improvement in the carbon black dispersibility in water media was observed, a beneficial effect for electrocatalyst preparation. It was also observed, that the functional groups and the polymeric chains worked as stabilizers in the particle growing, producing much more homogeneous electrocatalysts, exhibiting smaller average particle size. Especially, in the case of polymeric chains functionalization, a decrease in the ohmic drop was observed for this system, attributed to an improvement in the proton transference.

As células a combustível do tipo PEM (Próton Exchange Membrane) alimentadas diretamente por hidrogênio são consideradas as mais promissoras para a geração de energia elétrica, entretanto o uso de hidrogênio como combustível nestas células apresenta ainda alguns inconvenientes operacionais e de infra-estrutura, o que dificulta o seu uso. Assim, nos últimos anos, uma célula a combustível que utiliza um álcool diretamente como combustível (DAFC - Direct Alcohol Fuel Cell) tem despertado bastante interesse, particularmente aquelas que são alimentadas pelos combustíveis metanol ou etanol, pois apresentam várias vantagens, como por exemplo, a não necessidade de estocar hidrogênio ou gerá-lo através da reforma de hidrocarbonetos.Porém, células que utilizam diretamente metanol como combustível, apresentam correntes relativamente baixas e a oxidação completa do etanol é dificultado pela quebra da ligação CC e também há a formação de intermediários fortemente adsorvidos no eletrocatalisador de platina, como o monóxido de carbono (COads), resultando em baixos potenciais operacionais na célula.Para minimizar o efeito causado pelos venenos catalíticos faz-se necessária a adição de outros metais na composição do eletrodo de Pt. Tais metais devem atuar na reação fornecendo sítios para a adsorção de espécies que contenham oxigênio (OH ou H2O), em potenciais inferiores ao potencial de adsorção de OH na Pt.Este trabalho apresenta estudos da reação de eletro-oxidação destes álcoois, nos meios ácido e alcalino, sobre os eletrocatalisadores Pt/C, PtAu/C e PtAuBi/C, utilizando o método da redução via feixe de elétrons. Os eletrocatalisadores PtAuBi/C foram preparados com diferentes composições atômicas a fim de se avaliar o efeito da adição de bismuto. Os experimentos foram caracterizados por voltametria cíclica e cronoamperometria, utilizando a técnica do eletrodo de camada fina porosa, obtendo informações em relação às atividades dos catalisadores, perfis eletroquímicos e suas estabilidades em relação ao tempo de operação. Os eletrodepósitos foram examinados usando análise de energia dispersiva de raios-X (EDX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) a fim de determinar a composição de fases, o tamanho e a distribuição das nanopartículas metálicas no suporte. Os resultados eletroquímicos mostraram para oxidação eletroquímica de metanol, no meio alcalino, que o catalisador de PtAu/C apresentou melhor atividade eletrocatalítica e, no meio ácido, o catalisador Pt/C foi mais efetivo com relação às demais formulações preparadas e os eletrocatalisadores PtAuBi/C apresentaram-se pouco efetivos. No caso da oxidação do etanol, os dados eletroquímicos mostraram que, no meio ácido os catalisadores PtAu e Pt/C possuem comportamentos similares e os catalisadores PtAuBi/C demonstram baixa atividade. No meio alcalino, o sistema PtAuBi/C obteve melhor desempenho em relação aos demais catalisadores, obtendo maiores valores de correntes à baixos potenciais. / Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell powered directly by hydrogen are considered the most promising for the generation of electricity, however the use of hydrogen as fuel in these cells also presents some drawbacks and operational infrastructure, which hinders its use. Thus, in recent years, a fuel cell which uses an alcohol directly as a fuel (DAFC - Direct Alcohol Fuel Cell) has attracted considerable interest, particularly those that are powered by fuels methanol or ethanol, they present several advantages, such as not need to store hydrogen or generate it through reform of hydrocarbons. However, cells that use methanol directly as fuel, have relatively low current and complete oxidation of ethanol is hampered by the cleavage of C-C and there is also the formation of intermediate strongly adsorbed on the platinum electrocatalyst, such as carbon monoxide (COads), resulting in low operational potential in cell. To reduce the effect caused by the \"poisons\" catalyst is needed the addition of other metals in the composition of Pt electrode. Such, metals should act on the reaction providing sites for adsorption of species containing oxygen (OH or H2O) in potential below for adsorption of OH in Pt.In this work studies the reaction of electro-oxidation of this alcohols in acid medium and alkaline on the electrocatalysts Pt / C, PtAu / C and PtAuBi / C, using the method of reduction electron beam. The electrocatalysts PtAuBi / C were prepared with different compositions to evaluate the effect of addition of bismuth. The materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and cyclic voltammetry (CV). The electro-oxidation of methanol and ethanol were studied by cyclic voltammetry and chronoamperometry at room temperature. The results showed for electrochemical oxidation of methanol in alkaline medium, the catalyst PtAu / C showed better electrocatalytic activity and, in the acidic medium, the catalyst Pt / C was more effective in relation to other formulations prepared and electrocatalysts PtAuBi / C were ineffective. In ethanol oxidation, the results showed that, in acidic medium, catalysts PtAu and Pt / C have similar behaviors and catalysts PtAuBi / C show low activity. In alkaline medium, the system PtAuBi / C performed better than the other catalysts, obtaining higher values of current at low potentials.

A combinação de célula eletroquímica (EC) com a entrada do equipamento de eletroforese capilar (CE), apesar de recente, tem permitido realizar determinação de ânions radicais; pré-concentração eletroquímica de metais pesados, seguida de redissolução, separação e detecção; bem como monitorar produtos carregados formados por oxidação eletrocatalítica de espécies neutras, como álcoois primários e glicerol. Empregando o sistema EC-CE-C4D desenvolvido pelo grupo, a determinação simultânea de cátions, ânions (no contra fluxo) e espécies neutras (detectadas após derivatização eletroquímica) foi demonstrada pela primeira vez, tendo o antisséptico bucal (Listerine® Tartar Control) como amostra real. Embora constante e reprodutível, a conversão dos álcoois primários nos respectivos carboxilatos apresentou rendimento relativamente baixo, ~16%, nas condições anteriormente adotadas, 1,6 V vs. Ag/AgClKCl 3M empregando eletrodo de platina em meio ácido (HNO3 5 mmol L-1 / HCl 1 mmol L-1). Dessa maneira, avaliou-se a oxidação de álcoois primários de cadeia normal (C2 − C5) sobre diferentes materiais de eletrodo (ouro e platina) em diferentes meios (ácido, neutro e alcalino). Os carboxilatos gerados foram monitorados injetando uma alíquota da amostra derivatizada no capilar (50 µm d.i., 45 cm de comprimento e 20 cm efetivo) aplicando 5 kPa durante 5 s, e durante as separações, 30 kV foi aplicado entre as extremidades do capilar preenchido com Tris 30 mmol L-1 / HCl 10 mmol L-1 usado como BGE. Os resultados obtidos com o sistema EC-CE-C4D apontaram maior conversão dos álcoois nos respectivos ácidos carboxílicos em meio ácido, tanto em ouro quanto em platina. Adicionalmente, em eletrodo de ouro a formação dos carboxilatos apresentou certa seletividade não observada sobre platina, favorecendo a conversão dos álcoois de cadeia menor. Noutra vertente, buscando atender as necessidades atuais por metodologias que possibilitem monitorar a eletrooxidação do glicerol em reatores eletroquímicos, desenvolveu-se um método que permitiu determinar simultaneamente o glicerol e alguns de seus possíveis produtos de oxidação neutros, como gliceraldeído e dihidroxiacetona, explorando a formação de complexo carregado com borato (presente no BGE composto por H3BO3 60 mmol L-1 / LiOH 30 mmol L-1), além dos produtos ionizáveis (ácidos carboxílicos) que são comumente analisados por CE. O equipamento de CE utilizado, munido de dois detectores C4D, também permitiu avaliar a interação de alguns ácidos carboxílicos com os modificadores de EOF, Polybrene® e CTAB, empregando MES 30 mmol L-1 / His 30 mmol L-1 como BGE. Seguindo a atual tendência à miniaturização de sistemas analíticos, avaliou-se a possibilidade de construir um sistema EC-CE-C4D miniaturizado. Para isso, um novo método para fabricação de microdispositivos em vidro, baseado em ablação a laser de CO2 assistida por parafina, como alternativa aos dispendiosos métodos de corrosão por via úmida foi desenvolvido. Os dispositivos obtidos por esse método apresentaram canais de perfil semicircular, e as dimensões puderam ser controladas variando a potência e/ou a velocidade de ablação do laser. Contudo, pelos desafios ainda encontrados para se construir um sistema EC-CE-C4D completo em substrato de vidro por ablação a laser de CO2, optou-se por iniciar a miniaturização do sistema EC-CE-C4D com um sistema híbrido em que se aproveita as características mais bem definidas e favoráveis dos tubos capilares de sílica fundida usados em CE convencional. Esse sistema permitiu a determinação quantitativa de metanol na presença de alta concentração de etanol, possibilitando, numa primeira aplicação, realizar o monitoramento da quantidade de metanol e etanol nas frações iniciais coletada durante o processo de destilação fracionada na produção de uísque de milho (moonshine) feito em laboratório. Visto a maior seletividade para conversão dos álcoois de cadeia menor obtidas em eletrodo de ouro e meio ácido, esse foi escolhido para a presente aplicação. As condições que apresentaram melhores resultados no sistema híbrido EC-CE-C4D abrangeram diluição de 100 vezes da amostra em HNO3 2 mmol L-1, eletrooxidação a 1,4 V vs. Ag durante 60 s, injeção eletrocinética no capilar mediante aplicação de 3 kV durante 4 s, e a separação dos carboxilatos realizada aplicando 3 kV entre as extremidades do capilar (50 µm d.i., 15 cm de comprimento com 12 cm efetivo), preenchido com CHES 10 mmol L-1 / NaOH 5 mmol L-1, usado como BGE. A análise das primeiras frações destiladas da \"labmade moonshine\" apresentou um aumento na concentração de etanol (variando de ~80 % a ~100 %) e simultâneo decréscimo da concentração de metanol (variando de 4 % a ~0,1 %). Em suma, avançou-se tanto no leque de aplicações da derivatização eletroquímica hifenizada com a eletroforese capilar como na miniaturização da instrumentação analítica para EC-CE-C4D, favorecendo a disseminação dessa poderosa combinação de três técnicas eletroquímicas. / The direct couple of electrochemical cell (EC) with the inlet of the capillary electrophoresis (CE) equipment, recently demonstrated, has allowed the determination of radical anions; to perform electrochemical preconcentration of traces of heavy metals, followed by stripping, injection, separation and detection; and the generation of charged species by electrochemical oxidation of neutral molecules, e.g. primary alcohols and glycerol. Employing the EC-CE-C4D system developed by our group, the simultaneous determination of cations, anions (in the counter EOF mode) and neutral species (after electrochemical derivatization) was demonstrated for the first time and a mouthwash (Listerine® Tartar Control) was used as a real sample. Although constant and reproducible, the conversion of primary alcohols into carboxylates had a low yield (~16%), under the adopted conditions, 1.6 V vs. Ag/AgClKCl 3M using platinum electrode in acid medium (5 mmol L-1 HNO3 / 1 mmol L-1 HCl). Thus, the yield of carboxylates was studied for the oxidation of alcohols (C2 − C5) on two electrode materials (gold and platinum) in different media (acid, neutral and alkaline). After the electrooxidation step an aliquot of the derivatized sample was automatically injected into the capillary (50 µm i.d., 45 cm in length and 20 cm up to detector) by applying 5 kPa during 5 s. The separation was carried out applying 30 kV between the capillary ends previously filled with 30 mmol L-1 Tris / 10 mmol L-1 HCl BGE. Cyclic voltammograms show higher current density for alcohols oxidation in alkaline medium than in acid one both on gold and platinum electrodes. On the other hand the yields of carboxylic acids were higher in acidic medium. Besides that, only on gold electrode some selectivity for the carboxylate formation was observed favoring the conversion of the short chain alcohols. In order to meet the current needs for methodologies that allow the monitoring of the electrooxidation of glycerol in electrochemical reactors, a method was also developed that allowed the determination of glycerol and some of its possible neutral oxidation products, such as glyceraldehyde and dihydroxyacetone, by exploring the formation of borate complexes (provided in the BGE composed of 60 mmol L-1 H3BO3 / 30 mmol L-1 LiOH), together with ionizable ones like carboxylic acids. The employed CE equipment with two C4D detectors allowed the evaluation of the interaction between some carboxylic acids and the EOF modifiers, Polybrene® and CTAB, using 30 mmol L-1 MES / 30 mmol L-1 His as BGE. Aligned with a current trend of analytical instrumentation, the miniaturized EC-CE-C4D system was attempted. For that, a new method for manufacturing microdevices in glass, based on paraffin-assisted CO2 laser ablation, was developed as an alternative to costly wet-etching methods. The devices obtained by this method presented channels of semicircular profile and the dimensions could be controlled by varying the laser power and/or ablation velocity. Due to remaining challenges in the construction of a complete laser ablated EC-CE-C4D system on glass, a miniaturized system based on a hybrid approach is presented in the thesis, by taking advantage of the more defined and favorable characteristics of the well known fused silica capillary tubes used in CE. This system allowed the quantitative determination of methanol in the presence of high ethanol concentration by taking advantage of the higher yield of short-chain carboxylic acid formation on gold in acidic medium. The first application was the monitoring of the amount of methanol and ethanol in the initial fractions collected during the fractional distillation process in the production of corn whiskey (moonshine) made in the laboratory. The conditions that showed the best results with the hybrid EC-CE-C4D system included a 100-fold dilution of the sample in 2 mmol L-1 HNO3, electrooxidation at 1.4 V vs. Ag for 60 s, electrokinetic injection into the capillary by applying 3 kV for 4 s and separation of the carboxylates carried out under 3 kV between the ends of the capillary (50 µm i.d., 15 cm in length and 12 cm up to detector) previously filled with 10 mmol L-1 CHES / 5 mmol L-1 NaOH, used as BGE. Analysis of the first distilled fractions of labmade moonshine showed an increase in ethanol concentration (ranging from ~ 80% to ~ 100%) and a simultaneous decrease in methanol concentration (ranging from 4% to ~ 0.1%). In short, both the range of applications of electrochemical derivatization hyphenated with capillary electrophoresis as well the miniaturization of analytical instrumentation for EC-CE-C4D were improved, favoring the dissemination of this powerful combination of three electrochemical techniques.

Este trabalho teve como objetivo principal propor procedimentos de avaliação de metodologia de coleta e análise de solventes no ar em ambiente de trabalho. Utilizou-se o metanol em mistura MEG (Metanol 33%, Etanol 60% e Gasolina 7%) como exemplo. Na época, a mistura MEG estava sendo indicada para substituir o etanol combustível, devido a sua falta no mercado. Foi montada uma atmosfera controlada dinâmica por injeção, para gerar concentrações conhecidas de vapor metanol em mistura MEG. Essa atmosfera permaneceu estável ao redor de 7,5 horas. O limite de detecção método analítico do CG-DIC, utilizado para o acompanhamento das concentrações geradas, foi de 18mg/m3 para um volume amostrado de 2mL coletado por uma válvula de coleta. Estando a atmosfera controlada apta para os testes de validação, foram realizados estudos de volume de \"breakthrough\" para coleta de metanol em tubos de sílica gel, com a finalidade de se conhecer o volume a ser amostrado em campo. Esses estudos foram realizados levando em conta as possíveis interferências de etanol, gasolina e elevada umidade relativatotal . O tempo de coleta de amostra para a mistura com umidade relativa recomendado para uma vazão de 200mL/min foi de 15 minutos. O método analítico utilizado, para a determinação de metanol coletado em tubos de sílica gel e analisado por CG-DIC. foi uma adaptação de métodos encontrados na literatura do NIOSH, para as condições da mistura. Após encontrar a melhor seletividade para o menor tempo de retenção do metanol em mistura MEG, foi determinado o limite de detecção de 9,7x 10-3µg. A precisão do método analítico encontrada foi de 2,1% e a exatidão esteve entre 89% e 97%. Estabelecida a metodologia analítica, as melhores condições de atmosfera controlada e o volume de coleta de amostra, foram realizados estudos que integram a coleta e análise ou seja, precisão e exatidão de coleta e análise e estabilidade de armazenamento. Para estudos de precisão e exatidão de coleta e análise, foram geradas concentrações de metanol em mistura MEG, com umidade ao redor de 0,5, 1 e 2 vezes o limite de tolerância brasileiro(156ppm); dessorção em água e análise por CGDIC. O coeficiente de variação total calculado para o método de coleta e análise de metanol em mistura MEG foi de 7,3% (precisão) e wazzu exatidão esteve entre 90% e 101%. As concentrações de metanol foram estáveis, em tubos adsorventes armazenados em geladeira, durante o período de estudo de 14 dias. Porém, foi constatada uma migração de metanol através da camada analítica para a camada controle de forma gradativa com o passar do tempo. As soluções, a partir da dessorção dos tubos armazenadas em geladeira, foram estáveis durante o período de estudo de 45 dias. Além desses experimentos foram também realizados estudos de capacidade de adsorção da sílica gel para metanol levando em conta os interferentes, e verificado se eram capazes de dessorver totalmente o metanol, após um certo período de coleta. Constatou-se que após 30 minutos de coleta, os interferentes (etanol, umidade e gasolina) entravam em equilíbrio com o adsorvente e o metanol. / The main objective of this work is to propose procedures for the evaluation of the methodology of the sampling and analysis of solvents in the air in the workplace. Methanol in a MEG mixture (Methanol 33%, Ethanol 60%, and Gasoline 7%) was used as an example. At that time the MEG mixture was being proposed to substitute ethanol fuel due to its shortages on the Brazilian market. An atmosphere, dynamically controlled by injection, was produced to generate the known concentrations of methanol vapour in MEG mixtures. This atmosphere remained stable for about 450 minutes. The detection Iimit, using the GC-FID analytical method to monitor the concentrations produced, was 18mg/m3 for a sample volume of 2mL sampled from a sampling valve. The controlled atmosphere being suitable for the validation tests, studies of the breakthrough volume for the sampling of methanol in silica gel tubes were carried out, with the aim of discovering the total volume to be sampled in the field. These studies were carried out taking into account the possible interference of ethanol, gasoline and the high relative humidity. The sampling time for the mixture with the recommended relative humidity with a flow rate of 200mL/min was fifteen minutes. The analytical method used for the determination of methanol sampled in silica gel tubes and analyzed by GC-FID, was based on the methods found in the NIOSH and OSHA literature, adapted to the mixture conditions. After finding the best selectivity for the lowest retention time for the methanol in the MEG mixture, the detection Iimit of 9.7 x 10-3µg was determined. The precision of the analytical method was 2.1% and the accuracy was between 89% and 97%. Having established the analytical methodology. the best conditions for the controlled atmosphere and the sampling volume, studies were carried out which integrated the sampling and the analysis, that is, the precision and the accuracy of the sampling and the analysis and the storage stability. To study the precision and the accuracy of the sampling and analysis, concentrations 1 or 2 times that of the Brazilian tolerance Iimit of methanol (156 ppm) in MEG mixture, with humidity around 0.5, were generated, using dessorption in water and analysis by GC-FID. The total coefficient of variation calculated for the method of sampling and analysis of methanol in MEG mixture was 7.3% (precision) and the accuracy was between 90% and 101% . The concentrations of methanol were stable, in adsorption tubes stored in the refrigerator, throughout the study period of fifteen days. However, a gradual migration of methanol through the analytical layer to the control layer with the passage of time was noted. The solutions from the dessorption of the tubes, stored in the refrigerator, were stable throughout the study period of 45 days. Besides these experiments, studies of the adsorption capacity of silica gel for methanol, taking into account the interferents, were also carried out, and it was verified whether these were capable of the total dessorption of the methanol, after a certain sampling period. It was noted that after thirty minutes of sampling, the interferents came into equilibrium with the adsorbent and the methanol.

A combinação de célula eletroquímica (EC) com a entrada do equipamento de eletroforese capilar (CE), apesar de recente, tem permitido realizar determinação de ânions radicais; pré-concentração eletroquímica de metais pesados, seguida de redissolução, separação e detecção; bem como monitorar produtos carregados formados por oxidação eletrocatalítica de espécies neutras, como álcoois primários e glicerol. Empregando o sistema EC-CE-C4D desenvolvido pelo grupo, a determinação simultânea de cátions, ânions (no contra fluxo) e espécies neutras (detectadas após derivatização eletroquímica) foi demonstrada pela primeira vez, tendo o antisséptico bucal (Listerine® Tartar Control) como amostra real. Embora constante e reprodutível, a conversão dos álcoois primários nos respectivos carboxilatos apresentou rendimento relativamente baixo, ~16%, nas condições anteriormente adotadas, 1,6 V vs. Ag/AgClKCl 3M empregando eletrodo de platina em meio ácido (HNO3 5 mmol L-1 / HCl 1 mmol L-1). Dessa maneira, avaliou-se a oxidação de álcoois primários de cadeia normal (C2 − C5) sobre diferentes materiais de eletrodo (ouro e platina) em diferentes meios (ácido, neutro e alcalino). Os carboxilatos gerados foram monitorados injetando uma alíquota da amostra derivatizada no capilar (50 µm d.i., 45 cm de comprimento e 20 cm efetivo) aplicando 5 kPa durante 5 s, e durante as separações, 30 kV foi aplicado entre as extremidades do capilar preenchido com Tris 30 mmol L-1 / HCl 10 mmol L-1 usado como BGE. Os resultados obtidos com o sistema EC-CE-C4D apontaram maior conversão dos álcoois nos respectivos ácidos carboxílicos em meio ácido, tanto em ouro quanto em platina. Adicionalmente, em eletrodo de ouro a formação dos carboxilatos apresentou certa seletividade não observada sobre platina, favorecendo a conversão dos álcoois de cadeia menor. Noutra vertente, buscando atender as necessidades atuais por metodologias que possibilitem monitorar a eletrooxidação do glicerol em reatores eletroquímicos, desenvolveu-se um método que permitiu determinar simultaneamente o glicerol e alguns de seus possíveis produtos de oxidação neutros, como gliceraldeído e dihidroxiacetona, explorando a formação de complexo carregado com borato (presente no BGE composto por H3BO3 60 mmol L-1 / LiOH 30 mmol L-1), além dos produtos ionizáveis (ácidos carboxílicos) que são comumente analisados por CE. O equipamento de CE utilizado, munido de dois detectores C4D, também permitiu avaliar a interação de alguns ácidos carboxílicos com os modificadores de EOF, Polybrene® e CTAB, empregando MES 30 mmol L-1 / His 30 mmol L-1 como BGE. Seguindo a atual tendência à miniaturização de sistemas analíticos, avaliou-se a possibilidade de construir um sistema EC-CE-C4D miniaturizado. Para isso, um novo método para fabricação de microdispositivos em vidro, baseado em ablação a laser de CO2 assistida por parafina, como alternativa aos dispendiosos métodos de corrosão por via úmida foi desenvolvido. Os dispositivos obtidos por esse método apresentaram canais de perfil semicircular, e as dimensões puderam ser controladas variando a potência e/ou a velocidade de ablação do laser. Contudo, pelos desafios ainda encontrados para se construir um sistema EC-CE-C4D completo em substrato de vidro por ablação a laser de CO2, optou-se por iniciar a miniaturização do sistema EC-CE-C4D com um sistema híbrido em que se aproveita as características mais bem definidas e favoráveis dos tubos capilares de sílica fundida usados em CE convencional. Esse sistema permitiu a determinação quantitativa de metanol na presença de alta concentração de etanol, possibilitando, numa primeira aplicação, realizar o monitoramento da quantidade de metanol e etanol nas frações iniciais coletada durante o processo de destilação fracionada na produção de uísque de milho (moonshine) feito em laboratório. Visto a maior seletividade para conversão dos álcoois de cadeia menor obtidas em eletrodo de ouro e meio ácido, esse foi escolhido para a presente aplicação. As condições que apresentaram melhores resultados no sistema híbrido EC-CE-C4D abrangeram diluição de 100 vezes da amostra em HNO3 2 mmol L-1, eletrooxidação a 1,4 V vs. Ag durante 60 s, injeção eletrocinética no capilar mediante aplicação de 3 kV durante 4 s, e a separação dos carboxilatos realizada aplicando 3 kV entre as extremidades do capilar (50 µm d.i., 15 cm de comprimento com 12 cm efetivo), preenchido com CHES 10 mmol L-1 / NaOH 5 mmol L-1, usado como BGE. A análise das primeiras frações destiladas da \"labmade moonshine\" apresentou um aumento na concentração de etanol (variando de ~80 % a ~100 %) e simultâneo decréscimo da concentração de metanol (variando de 4 % a ~0,1 %). Em suma, avançou-se tanto no leque de aplicações da derivatização eletroquímica hifenizada com a eletroforese capilar como na miniaturização da instrumentação analítica para EC-CE-C4D, favorecendo a disseminação dessa poderosa combinação de três técnicas eletroquímicas. / The direct couple of electrochemical cell (EC) with the inlet of the capillary electrophoresis (CE) equipment, recently demonstrated, has allowed the determination of radical anions; to perform electrochemical preconcentration of traces of heavy metals, followed by stripping, injection, separation and detection; and the generation of charged species by electrochemical oxidation of neutral molecules, e.g. primary alcohols and glycerol. Employing the EC-CE-C4D system developed by our group, the simultaneous determination of cations, anions (in the counter EOF mode) and neutral species (after electrochemical derivatization) was demonstrated for the first time and a mouthwash (Listerine® Tartar Control) was used as a real sample. Although constant and reproducible, the conversion of primary alcohols into carboxylates had a low yield (~16%), under the adopted conditions, 1.6 V vs. Ag/AgClKCl 3M using platinum electrode in acid medium (5 mmol L-1 HNO3 / 1 mmol L-1 HCl). Thus, the yield of carboxylates was studied for the oxidation of alcohols (C2 − C5) on two electrode materials (gold and platinum) in different media (acid, neutral and alkaline). After the electrooxidation step an aliquot of the derivatized sample was automatically injected into the capillary (50 µm i.d., 45 cm in length and 20 cm up to detector) by applying 5 kPa during 5 s. The separation was carried out applying 30 kV between the capillary ends previously filled with 30 mmol L-1 Tris / 10 mmol L-1 HCl BGE. Cyclic voltammograms show higher current density for alcohols oxidation in alkaline medium than in acid one both on gold and platinum electrodes. On the other hand the yields of carboxylic acids were higher in acidic medium. Besides that, only on gold electrode some selectivity for the carboxylate formation was observed favoring the conversion of the short chain alcohols. In order to meet the current needs for methodologies that allow the monitoring of the electrooxidation of glycerol in electrochemical reactors, a method was also developed that allowed the determination of glycerol and some of its possible neutral oxidation products, such as glyceraldehyde and dihydroxyacetone, by exploring the formation of borate complexes (provided in the BGE composed of 60 mmol L-1 H3BO3 / 30 mmol L-1 LiOH), together with ionizable ones like carboxylic acids. The employed CE equipment with two C4D detectors allowed the evaluation of the interaction between some carboxylic acids and the EOF modifiers, Polybrene® and CTAB, using 30 mmol L-1 MES / 30 mmol L-1 His as BGE. Aligned with a current trend of analytical instrumentation, the miniaturized EC-CE-C4D system was attempted. For that, a new method for manufacturing microdevices in glass, based on paraffin-assisted CO2 laser ablation, was developed as an alternative to costly wet-etching methods. The devices obtained by this method presented channels of semicircular profile and the dimensions could be controlled by varying the laser power and/or ablation velocity. Due to remaining challenges in the construction of a complete laser ablated EC-CE-C4D system on glass, a miniaturized system based on a hybrid approach is presented in the thesis, by taking advantage of the more defined and favorable characteristics of the well known fused silica capillary tubes used in CE. This system allowed the quantitative determination of methanol in the presence of high ethanol concentration by taking advantage of the higher yield of short-chain carboxylic acid formation on gold in acidic medium. The first application was the monitoring of the amount of methanol and ethanol in the initial fractions collected during the fractional distillation process in the production of corn whiskey (moonshine) made in the laboratory. The conditions that showed the best results with the hybrid EC-CE-C4D system included a 100-fold dilution of the sample in 2 mmol L-1 HNO3, electrooxidation at 1.4 V vs. Ag for 60 s, electrokinetic injection into the capillary by applying 3 kV for 4 s and separation of the carboxylates carried out under 3 kV between the ends of the capillary (50 µm i.d., 15 cm in length and 12 cm up to detector) previously filled with 10 mmol L-1 CHES / 5 mmol L-1 NaOH, used as BGE. Analysis of the first distilled fractions of labmade moonshine showed an increase in ethanol concentration (ranging from ~ 80% to ~ 100%) and a simultaneous decrease in methanol concentration (ranging from 4% to ~ 0.1%). In short, both the range of applications of electrochemical derivatization hyphenated with capillary electrophoresis as well the miniaturization of analytical instrumentation for EC-CE-C4D were improved, favoring the dissemination of this powerful combination of three electrochemical techniques.

As células a combustível do tipo PEM (Próton Exchange Membrane) alimentadas diretamente por hidrogênio são consideradas as mais promissoras para a geração de energia elétrica, entretanto o uso de hidrogênio como combustível nestas células apresenta ainda alguns inconvenientes operacionais e de infra-estrutura, o que dificulta o seu uso. Assim, nos últimos anos, uma célula a combustível que utiliza um álcool diretamente como combustível (DAFC - Direct Alcohol Fuel Cell) tem despertado bastante interesse, particularmente aquelas que são alimentadas pelos combustíveis metanol ou etanol, pois apresentam várias vantagens, como por exemplo, a não necessidade de estocar hidrogênio ou gerá-lo através da reforma de hidrocarbonetos.Porém, células que utilizam diretamente metanol como combustível, apresentam correntes relativamente baixas e a oxidação completa do etanol é dificultado pela quebra da ligação CC e também há a formação de intermediários fortemente adsorvidos no eletrocatalisador de platina, como o monóxido de carbono (COads), resultando em baixos potenciais operacionais na célula.Para minimizar o efeito causado pelos venenos catalíticos faz-se necessária a adição de outros metais na composição do eletrodo de Pt. Tais metais devem atuar na reação fornecendo sítios para a adsorção de espécies que contenham oxigênio (OH ou H2O), em potenciais inferiores ao potencial de adsorção de OH na Pt.Este trabalho apresenta estudos da reação de eletro-oxidação destes álcoois, nos meios ácido e alcalino, sobre os eletrocatalisadores Pt/C, PtAu/C e PtAuBi/C, utilizando o método da redução via feixe de elétrons. Os eletrocatalisadores PtAuBi/C foram preparados com diferentes composições atômicas a fim de se avaliar o efeito da adição de bismuto. Os experimentos foram caracterizados por voltametria cíclica e cronoamperometria, utilizando a técnica do eletrodo de camada fina porosa, obtendo informações em relação às atividades dos catalisadores, perfis eletroquímicos e suas estabilidades em relação ao tempo de operação. Os eletrodepósitos foram examinados usando análise de energia dispersiva de raios-X (EDX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) a fim de determinar a composição de fases, o tamanho e a distribuição das nanopartículas metálicas no suporte. Os resultados eletroquímicos mostraram para oxidação eletroquímica de metanol, no meio alcalino, que o catalisador de PtAu/C apresentou melhor atividade eletrocatalítica e, no meio ácido, o catalisador Pt/C foi mais efetivo com relação às demais formulações preparadas e os eletrocatalisadores PtAuBi/C apresentaram-se pouco efetivos. No caso da oxidação do etanol, os dados eletroquímicos mostraram que, no meio ácido os catalisadores PtAu e Pt/C possuem comportamentos similares e os catalisadores PtAuBi/C demonstram baixa atividade. No meio alcalino, o sistema PtAuBi/C obteve melhor desempenho em relação aos demais catalisadores, obtendo maiores valores de correntes à baixos potenciais. / Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell powered directly by hydrogen are considered the most promising for the generation of electricity, however the use of hydrogen as fuel in these cells also presents some drawbacks and operational infrastructure, which hinders its use. Thus, in recent years, a fuel cell which uses an alcohol directly as a fuel (DAFC - Direct Alcohol Fuel Cell) has attracted considerable interest, particularly those that are powered by fuels methanol or ethanol, they present several advantages, such as not need to store hydrogen or generate it through reform of hydrocarbons. However, cells that use methanol directly as fuel, have relatively low current and complete oxidation of ethanol is hampered by the cleavage of C-C and there is also the formation of intermediate strongly adsorbed on the platinum electrocatalyst, such as carbon monoxide (COads), resulting in low operational potential in cell. To reduce the effect caused by the \"poisons\" catalyst is needed the addition of other metals in the composition of Pt electrode. Such, metals should act on the reaction providing sites for adsorption of species containing oxygen (OH or H2O) in potential below for adsorption of OH in Pt.In this work studies the reaction of electro-oxidation of this alcohols in acid medium and alkaline on the electrocatalysts Pt / C, PtAu / C and PtAuBi / C, using the method of reduction electron beam. The electrocatalysts PtAuBi / C were prepared with different compositions to evaluate the effect of addition of bismuth. The materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and cyclic voltammetry (CV). The electro-oxidation of methanol and ethanol were studied by cyclic voltammetry and chronoamperometry at room temperature. The results showed for electrochemical oxidation of methanol in alkaline medium, the catalyst PtAu / C showed better electrocatalytic activity and, in the acidic medium, the catalyst Pt / C was more effective in relation to other formulations prepared and electrocatalysts PtAuBi / C were ineffective. In ethanol oxidation, the results showed that, in acidic medium, catalysts PtAu and Pt / C have similar behaviors and catalysts PtAuBi / C show low activity. In alkaline medium, the system PtAuBi / C performed better than the other catalysts, obtaining higher values of current at low potentials.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / IntroduÃÃo: A Cissus verticillata à uma planta, utilizada popularmente como antidiabÃtica e antiinflamatÃria, Objetivos: Investigar as atividades antidiabÃtica, analgÃsica, antiinflamatÃria e antioxidante da FraÃÃo SolÃvel em Metanol (FSM), FraÃÃo Rica em Tiramina (FRT) e tiramina (TIR) isolados de Cissus verticillata. Material e MÃtodos: Ratos Wistar, machos, foram tratados por via oral com a FSM (50 e 100 mg/kg), glibenclamida(GLI, 5 mg/kg), Ãgua destilada ou glicose), e o sangue coletado antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose (3g/kg) para medir a hipoglicemia. Na avaliaÃÃo da glicemia em ratos normais, os animais foram tratados com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) ou Ãgua destilada e a glicemia medida antes e 5 dias depois do tratamento. O diabetes foi induzidos com aloxano (40 mg/kg, i.v) e apÃs 48 h, os animais foram tratados por via oral com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) e TIR (2 e 4 mg/kg) e a glicemia determinada antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose. Outros grupos de animais diabÃticos foram tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg), FRT (100 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI (2,5 e 5 mg/kg), MET (50 e 100 mg/kg) e 5 dias depois, o sangue foi coletado para avaliaÃÃo da glicemia, triglicerÃdios, VLDL, colesterol total, HDL, AST, ALT, urÃia e creatinina. Os animais que sobreviveram foram sacrificados, dissecados o pÃncreas e o fÃgado, e os ÃrgÃos foram usados para a avaliaÃÃo histopatolÃgica, sendo este Ãltimo tambÃm utilizado para avaliaÃÃo da atividade antioxidante (TBARS, GSH, catalase e nitritos/nitratos). Para determinaÃÃo da hemoglobina glicada in vitro foi utilizado sangue de ratos nÃo-diabÃticos incubados com D-glicose (50mM) e FSM ou TIR (50 g/ml). Na dosagem do glicogÃnio hepÃtico, ratos diabÃticos foram tratados por 10 dias com a FSM. A avaliaÃÃo da atividade analgÃsica foi realizada em camundongos Swiss, machos, tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg, v.o.), TIR (1,2 e 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg) e MOR (10 mg/kg,.) no teste da formalina. A atividade antiinflamatÃria foi analisada com os modelos do edema de pata induzido por carragenina ou dextrano, em ratos e camundongos tratados com FSM (50 e 100 e 200 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg), INDO (5 mg/kg) e CIPRO (5 e 10 mg/kg,v.o.). Resultados: A FSM demonstrou pequena atividade hipoglicemiante no teste de tolerÃncia a glicose em ratos normais e foi ineficaz em diabÃticos. A FSM reduziu a glicemia em ratos normais, enquanto a TIR nÃo teve efeito. O tratamento de ratos diabÃticos durante 5 dias com a FSM, FRT, TIR, GLI e MET reduziu a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina. Nenhuma potencializaÃÃo do efeito hipoglicÃmico foi observado com a associaÃÃo de FSM + TIR ou GLI + TIR. Os estudos histopatolÃgicos mostraram regeneraÃÃo das lesÃes e aumento do nÃmero de cÃlulas  apÃs tratamento dos animais diabÃticos com a FSM, TIR e GLI. A FSM e TIR mostraram atividade antioxiodante, como aumento no nÃvel de GSH e reduÃÃo nos nÃveis de catalase e nitritos. A FRT aumentou somente o GSH. A FSM e TIR reduziram a hemoglobina glicada, demonstraram potente atividade analgÃsica, mas foram ineficazes como antiinflamatÃrias. A FSM e TIR nÃo reverteram a hiperglicemia induzida pelo diazÃxido, um bloqueador dos canais de potÃssio. MET e TIR reduziram a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina, e os efeitos hipoglicemiantes foram potencializados quando essas duas drogas foram associadas. ConclusÃo: Estes resultados confirmam a atividade hipoglicemiante da FSM. O mecanismo de aÃÃo nÃo parece ser similar aquele apresentado pelas sulfonilurÃias. A potencializaÃÃo do efeito hipoglicemiante da TIR foi observada apÃs sua associaÃÃo com MET, sugerindo que o mecanismo de aÃÃo dos constituintes hipoglicÃmicos de C. verticillata à similar ao das biguanidas. Posteriormente, a FSM e TIR apresentaram atividade antioxidante, reduzidos nÃveis de hemoglobina glicada, aumento do glicogÃnio hepÃtico, e no nÃmero de cÃlulas  pancreÃticas, sugerindo que essas drogas diminuem a toxicidade hepÃtica e pancreÃtica. Embora a atividade antiinflamatÃria tenha sido marginal, seu efeito foi potencializado pela associaÃÃo com TIR, indicando que a TIR à um dos principais constituintes bioativos de Cissus verticillata. / IntroduÃÃo: A Cissus verticillata à uma planta, utilizada popularmente como antidiabÃtica e antiinflamatÃria, Objetivos: Investigar as atividades antidiabÃtica, analgÃsica, antiinflamatÃria e antioxidante da FraÃÃo SolÃvel em Metanol (FSM), FraÃÃo Rica em Tiramina (FRT) e tiramina (TIR) isolados de Cissus verticillata. Material e MÃtodos: Ratos Wistar, machos, foram tratados por via oral com a FSM (50 e 100 mg/kg), glibenclamida(GLI, 5 mg/kg), Ãgua destilada ou glicose), e o sangue coletado antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose (3g/kg) para medir a hipoglicemia. Na avaliaÃÃo da glicemia em ratos normais, os animais foram tratados com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) ou Ãgua destilada e a glicemia medida antes e 5 dias depois do tratamento. O diabetes foi induzidos com aloxano (40 mg/kg, i.v) e apÃs 48 h, os animais foram tratados por via oral com a FSM (100 mg/kg), GLI (5 mg/kg) e TIR (2 e 4 mg/kg) e a glicemia determinada antes e 30, 60, 90 e 120 min apÃs à glicose. Outros grupos de animais diabÃticos foram tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg), FRT (100 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI (2,5 e 5 mg/kg), MET (50 e 100 mg/kg) e 5 dias depois, o sangue foi coletado para avaliaÃÃo da glicemia, triglicerÃdios, VLDL, colesterol total, HDL, AST, ALT, urÃia e creatinina. Os animais que sobreviveram foram sacrificados, dissecados o pÃncreas e o fÃgado, e os ÃrgÃos foram usados para a avaliaÃÃo histopatolÃgica, sendo este Ãltimo tambÃm utilizado para avaliaÃÃo da atividade antioxidante (TBARS, GSH, catalase e nitritos/nitratos). Para determinaÃÃo da hemoglobina glicada in vitro foi utilizado sangue de ratos nÃo-diabÃticos incubados com D-glicose (50mM) e FSM ou TIR (50 g/ml). Na dosagem do glicogÃnio hepÃtico, ratos diabÃticos foram tratados por 10 dias com a FSM. A avaliaÃÃo da atividade analgÃsica foi realizada em camundongos Swiss, machos, tratados com a FSM (50 e 100 mg/kg, v.o.), TIR (1,2 e 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg) e MOR (10 mg/kg,.) no teste da formalina. A atividade antiinflamatÃria foi analisada com os modelos do edema de pata induzido por carragenina ou dextrano, em ratos e camundongos tratados com FSM (50 e 100 e 200 mg/kg), TIR (1- 4 mg/kg), GLI ( 5 mg/kg), INDO (5 mg/kg) e CIPRO (5 e 10 mg/kg,v.o.). Resultados: A FSM demonstrou pequena atividade hipoglicemiante no teste de tolerÃncia a glicose em ratos normais e foi ineficaz em diabÃticos. A FSM reduziu a glicemia em ratos normais, enquanto a TIR nÃo teve efeito. O tratamento de ratos diabÃticos durante 5 dias com a FSM, FRT, TIR, GLI e MET reduziu a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina. Nenhuma potencializaÃÃo do efeito hipoglicÃmico foi observado com a associaÃÃo de FSM + TIR ou GLI + TIR. Os estudos histopatolÃgicos mostraram regeneraÃÃo das lesÃes e aumento do nÃmero de cÃlulas  apÃs tratamento dos animais diabÃticos com a FSM, TIR e GLI. A FSM e TIR mostraram atividade antioxiodante, como aumento no nÃvel de GSH e reduÃÃo nos nÃveis de catalase e nitritos. A FRT aumentou somente o GSH. A FSM e TIR reduziram a hemoglobina glicada, demonstraram potente atividade analgÃsica, mas foram ineficazes como antiinflamatÃrias. A FSM e TIR nÃo reverteram a hiperglicemia induzida pelo diazÃxido, um bloqueador dos canais de potÃssio. MET e TIR reduziram a glicemia, triglicerÃdios, VLDL, urÃia e creatinina, e os efeitos hipoglicemiantes foram potencializados quando essas duas drogas foram associadas. ConclusÃo: Estes resultados confirmam a atividade hipoglicemiante da FSM. O mecanismo de aÃÃo nÃo parece ser similar aquele apresentado pelas sulfonilurÃias. A potencializaÃÃo do efeito hipoglicemiante da TIR foi observada apÃs sua associaÃÃo com MET, sugerindo que o mecanismo de aÃÃo dos constituintes hipoglicÃmicos de C. verticillata à similar ao das biguanidas. Posteriormente, a FSM e TIR apresentaram atividade antioxidante, reduzidos nÃveis de hemoglobina glicada, aumento do glicogÃnio hepÃtico, e no nÃmero de cÃlulas  pancreÃticas, sugerindo que essas drogas diminuem a toxicidade hepÃtica e pancreÃtica. Embora a atividade antiinflamatÃria tenha sido marginal, seu efeito foi potencializado pela associaÃÃo com TIR, indicando que a TIR à um dos principais constituintes bioativos de Cissus verticillata.