Eletrocatalisadores nanoestruturados baseados em paládio para aplicação em células a combustível alcalinas de líquido direto

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gentil, Tuani Carla
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFABC
Texto Completo: http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=126317
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Mauro Coelho dos Santos
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spelling Eletrocatalisadores nanoestruturados baseados em paládio para aplicação em células a combustível alcalinas de líquido diretoCÉLULAS A COMBUSTÍVELENERGIAS RENOVÁVEISPALÁDIOETANOLELETROQUÍMICANANOMATERIAISFUEL CELLSRENEWABLE ENERGIESPALLADIUMETHANOLELECTROCHEMISTRYNANOMATERIALSPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA/QUÍMICA - UFABCOrientador: Prof. Dr. Mauro Coelho dos SantosTese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, Santo André, 2023.O crescimento populacional somado à industrialização e expansão econômica mundial tem resultado no esgotamento de reservas de combustíveis fósseis, impulsionando, nas últimas décadas, alternativas para suprir a demanda energética de forma mais sustentável. Neste contexto, destacam-se as células a combustível, dispositivos capazes de converter energia química em energia elétrica, com altos rendimentos e baixa emissão de poluentes. Neste trabalho foram desenvolvidos diferentes tipos de eletrocatalisadores anódicos baseados em paládio e óxidos de baixo custo para aplicação em células a combustível alcalinas de líquido direto (ADLFC), explorando os combustíveis acetol e etanol. As reações de oxidação de acetol (ROA) em meio alcalino foram catalisadas por materiais simples à base de nanopartículas (NP) Pd. Os estudos de operação em ADLFC resultaram no potencial de circuito aberto de 1341 mV utilizando o material PdNP/C, superior ao encontrado na literatura para oxidação de álcoois, e densidade máxima de potência de 32 mW cm?2 a 80 °C. As reações de oxidação de etanol (ROE) foram catalisadas inicialmente por materiais simples (PdNP/C), e por materiais binários e ternários, os quais parte da carga metálica de alto custo foi substituída por nano-octaedros de Fe3O4 e nanobarras de SnO2. O material mais promissor foi o PdNPFe3O4/C, resultando no maior valor de densidade de potência (31,4 mWcm-2), a 70 °C, mesmo com a redução em 50% de carga de paládio em relação ao material comercial e ao material simples. Os materiais PdNPSnO2/C e PdNPFe3O4SnO2/C também exibiram resultados de operação em ADEFC superiores ao material comercial (28 mWcm-2 e 30 mWcm-2, respectivamente, versus 18 mWcm-2 obtido com Pd/C Alfa Aesar), sugerindo-se que a presença de nano-octaedros de Fe3O4 e nanobarras de SnO2 podem favorecer o mecanismo bifuncional, facilitando a oxidação do CO a CO2, e, consequentemente, promovendo uma melhora na atividade catalítica para ROE. A fim de avaliar os efeitos da morfologia na atividade catalítica da ROE em meio alcalino, os materiais mencionados anteriormente foram sintetizados novamente variando a morfologia do paládio, em que foram preparadas as mesmas composições, porém com estruturas ramificadas de nanodendritos (ND) de Pd. Os estudos de operação em ADEFC mostraram que o eletrocatalisador PdNDSnO2/C apresentou melhor desempenho em relação a todos os demais, atingindo a densidade de potência de 20 mWcm-2, apesar de não superarem os resultados de NP de Pd. Para complementar o estudo, o material mais promissor (PdNPFe3O4/C) foi submetido a testes de estabilidade, comparado ao material comercial e simples, nos quais foram empregadas técnicas 5 avançadas de SFC-ICP-MS online e testes acelerados de estresse (AST). Os resultados de AST mostraram que o material PdNPFe3O4/C apresentou menor porcentagem de dissolução de Pd e não foi observada dissolução de Fe, o que era esperado em meio alcalino, além da maior atividade para ROE após AST em relação ao material simples. Os mapeamentos de dissolução registrados por SFC-ICP-MS online mostram que a dissolução transiente de Pd começa durante a varredura direta na quarta voltametria cíclica (VC), no limite de potencial superior (UPL-upper potential limit) de +0,9 V RHE, tanto na presença quanto na ausência de etanol. Desta forma, sugere-se que a presença de nano-octaedros de Fe3O4 contribuiu para a estabilidade e atividade do material, corroborando com os estudos eletroquímicos de ROE e de operação em ADEFC, mostrando-se promissor na área de eletrocatálise da oxidação de etanol para a utilização em células a combustível alcalinas de etanol direto.Population growth added to industrialization and world economic expansion has resulted in the depletion of fossil fuel reserves, driving, in recent decades, alternatives to supply energy demand in a more sustainable way. In this context, fuel cells stand out, devices capable of converting chemical energy into electrical energy, with high yields and low pollutant emissions. In this work, different types of types of anodic electrocatalysts palladium-based and low cost oxides were developed for application in alkaline direct liquid fuel cells (ADLFC), exploring acetol and ethanol fuels. The acetol oxidation reactions (AOR) in alkaline medium were catalyzed by simple Pd-based materials. Operation studies in ADLFC resulted in an open circuit potential of 1341 mV using the PdNP/C material, higher than that found in the literature for alcohol oxidation, and a maximum power density of 32 mW cm?2 at 80 °C. The PdNPSnO2/C and PdNPFe3O4SnO2/C materials also exhibited higher operating results in ADEFC than the commercial material (28 mWcm-2 and 30 mWcm-2, respectively, versus 18 mWcm-2 obtained with Pd/C Alfa Aesar), suggesting that the presence of Fe3O4 nano-octahedrons and SnO2 nanorods may favor the bifunctional mechanism, facilitating the oxidation of CO to CO2, and, consequently, promoting an improvement in the catalytic activity for EOR. In order to evaluate the effects of morphology on the catalytic activity of EOR in alkaline medium, the materials mentioned above were synthesized again by varying the morphology of palladium, in which the same compositions were prepared, but with branched structures of Pd nanodendrites (ND). Operation studies in ADEFC showed that the PdNDSnO2/C electrocatalyst performed better than all the others, reaching a power density of 20 mWcm-2, despite not surpassing the Pd NP results. To complement the study, the most promising material (PdNPFe3O4/C) was submitted to stability tests, compared to commercial and simple material, in which advanced SFC-ICP-MS online techniques and accelerated stress tests (AST) were used. The AST results showed that the PdNPFe3O4/C material showed a lower percentage of Pd dissolution and no Fe dissolution was observed, which was expected in an alkaline medium, in addition to greater activity for EOR after AST compared to the simple material. Dissolution mappings recorded by SFC-ICP-MS online show that transient Pd dissolution starts during the forward scan at the fourth cyclic voltammetry (CV) at the upper potential limit (UPL) of +0.9 V RHE, both in the presence and in the absence of ethanol. Thus, it is suggested that the presence of Fe3O4 nano-octahedra contributed to the stability and activity of the material, 7 corroborating with the electrochemical studies of EOR and operation in ADEFC, showing promise in the area of electrocatalysis of ethanol oxidation for the use in alkaline direct ethanol fuel cells.Santos, Mauro Coelho dosRibeiro, Anderson OrzariAlbuquerque, Hamilton Brandão Varela deSilva, Júlio César Martins daOliveira Junior, Vani Xavier deGentil, Tuani Carla2023info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf164 f. : il.http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=126317http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=126317&midiaext=81183Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.br/php/capa.php?obra=126317porreponame:Repositório Institucional da UFABCinstname:Universidade Federal do ABC (UFABC)instacron:UFABCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2024-02-08T14:55:55Zoai:BDTD:126317Repositório InstitucionalPUBhttp://www.biblioteca.ufabc.edu.br/oai/oai.phpopendoar:2024-02-08T14:55:55Repositório Institucional da UFABC - Universidade Federal do ABC (UFABC)false
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