Eletrocatalisadores nanoestruturados para aplicação em células a combustível alcalinas-ácidas diretas de glicerol

Resumo

Este projeto tem por objetivo a aplicação de eletrocatalisadores nanoestruturados como ânodos e cátodos de células a combustível alcalinas - ácidas diretas de glicerol. A reação anódica será a oxidação do Glicerol em meio alcalino. A reação catódica será a reação de redução de peróxido de hidrogênio em meio ácido, para substituir completamente o oxigênio. Serão utilizadas membranas alcalinas Tokuyama e membranas de Náfion tratadas ou não para meio básico. Em todas as células a combustível como ânodos serão utilizados sistemas binários (nanooctaedros de Fe, Nb e Bi com nanopartículas de Pd e Au) sistemas ternários (nanocubos de Pd e Au decorados com nanopartículas de Fe, Nb e Bi) e (nanopartículas de Bi, Fe ou Nb com nanopartículas de Pd ou Au), suportados em carbono XC72. Na parte do cátodo os catalisadores poderão ser Au/C com ou sem nanoestruturas de Ce ou Nb em carbono XC72. A reação de oxidação do Glicerol será estudada pelas técnicas de voltametria cíclica e cronoamperometria e todos os melhores materiais serão estudados em células a combustível alcalinas - ácidas diretas de glicerol. O mecanismo de oxidação do Glicerol será estudado por meio da técnica de infravermelho in-situ em experimentos de meia célula. Os produtos formados durante a oxidação em células a combustível unitárias serão avaliados pela técnica de Raman ex-situ (FT Raman). Os materiais serão caracterizados por técnicas físicas tais como Difração de Raios - X (DRX), Energia Dispersiva de Raios - X (EDX), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), espectroscopia fotoeletrônica de raios-x (XPS), Espectrofotometria na Região do Infravermelho (FTIR), Espectroscopia Raman e ângulo de contato, onde serão avaliados aspectos como: tamanho de partícula, fases, formação das nanoestruturas, espécies oxigenadas, defeitos, hidrofilicidade e vacâncias na superfície. Os eletrocatalisadores serão testados em sua estabilidade por ICP-MS para medir a dissolução em testes acelerados de estresse. Os problemas claros, que ainda não foram resolvidos na literatura para glicerol e o uso da reação de redução de oxigênio, a serem resolvidos neste projeto com as nanoestruturas estudadas são: 1) oxidar o glicerol para carbonato em maior quantidade para extrair a maior quantidade de energia elétrica a partir deste combustível em células a combustível alcalinas-ácidas de glicerol direto, 2) diminuir a quantidade de Pd (usar o Au em menores quantidades) com nanoestruturas para diminuir o custo dos eletrocatalisadores, 3) substituir a reação de redução de oxigênio pela reação de redução de peróxido de hidrogênio em células a combustível que apresenta uma cinética mais rápida e um sobrepotencial de célula mais elevado (Ec-Ea), 4) estudar o mecanismo de reação, verificando os melhores eletrocatalisadores, para a formação de mais carbonato. Para aumentar a seletividade de acordo com o que tem sido observado na literatura, propõe-se formar nanoestruturas que aumentem a quantidade de defeitos, as espécies oxigenadas ácidas, a hidrofilicidade, as vacâncias, o número de sítios ativos, melhoria das propriedades eletrônicas na vizinhança dos átomos do eletrocatalisador, modificação da cristalinidade, dos parâmetros de rede, das distâncias interatômicas, das energias de ligação e da estabilidade. Se não houver seletividade para carbonato, a formação de produtos de alto valor agregado é também um objetivo como hidroxipiruvato, 1,3 dihidroxil 2 propanona, e gliceraldeído, 5) avaliar a estabilidade de eletrocatalisadores anódicos e catódicos em testes acelerados de estresse para utilização em células a combustível alcalinas-ácidas diretas de glicerol. Espera-se com o desenvolvimento do projeto encontrar maiores potenciais de circuito aberto, maiores densidades de corrente, e elevadas densidades de potência em células a combustível alcalinas-ácidas diretas de glicerol, nunca estudadas antes com os materiais que serão preparados neste projeto. (AU)