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

• Processo: 22/15252-4
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa BIOEN - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de fevereiro de 2024
• Data de Término da vigência: 31 de janeiro de 2026
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Mauro Coelho dos Santos
• Beneficiário: Mauro Coelho dos Santos
• Instituição Sede: Centro de Ciências Naturais e Humanas (CCNH). Universidade Federal do ABC (UFABC). Ministério da Educação (Brasil). Santo André , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Giuseppe Abíola Câmara da Silva ; Peter Hammer
• Bolsa(s) vinculada(s): 24/03999-3 - Desenvolvimento de eletrocatalisadores anódicos e catódicos nanoestruturados a base de metais nobres e não nobres para aplicação em células a combustível alcalinas-ácidas diretas de glicerol, BP.PD
• Assunto(s): Eletroquímica Eletrocatalisadores Materiais nanoestruturados Células de combustível Peróxido de hidrogênio Oxirredução
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Células a Combustível Alcalinas-Ácidas Diretas de Glicerol | Materiais nanoestruturados | Reação de Oxidação de Glicerol | Reação de Redução de Peróxido de Hidrogênio | Eletroquímica

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)

Publicações científicas

(5)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

GENTIL, TUANI C.; MINICHOVA, MARIA; BRIEGA-MARTOS, VALENTIN; PINHEIRO, VICTOR S.; SOUZA, FELIPE M.; MOURA, JOAO PAULO C.; SILVA, JULIO CESAR M.; BATISTA, BRUNO L.; SANTOS, MAURO C.; CHEREVKO, SERHIY. Stability of supported Pd-based ethanol oxidation reaction electrocatalysts in alkaline media. JOURNAL OF CATALYSIS, v. 440, p. 8-pg., 2024-12-01. (20/14100-0, 17/22976-0, 22/15252-4, 18/18675-8, 17/10118-0, 17/21846-6, 17/26288-1, 21/10033-0)

FERNANDES, CAIO MACHADO; MOURA, JOAO PAULO C.; TRENCH, ALINE B.; ALVES, ODIVALDO C.; XING, YUTAO; LANZA, MARCOS R. V.; SILVA, JULIO CESAR M.; SANTOS, MAURO C.. Magnetic field-enhanced two-electron oxygen reduction reaction using CeMnCo nanoparticles supported on different carbonaceous matrices. MATERIALS TODAY NANO, v. 28, p. 10-pg., 2024-10-03. (22/15252-4, 21/14394-7, 21/05364-7, 22/12895-1, 22/10484-4)

FERNANDES, CAIO MACHADO; SANTOS, AILA O.; ANTONIN, VANESSA S.; MOURA, JOAO PAULO C.; TRENCH, ALINE B.; ALVES, ODIVALDO C.; XING, YUTAO; SILVA, JULIO CESAR M.; SANTOS, MAURO C.. Magnetic field-enhanced oxygen reduction reaction for electrochemical hydrogen peroxide production with different cerium oxide nanostructures. CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL, v. 488, p. 11-pg., 2024-04-06. (22/15252-4, 21/14394-7, 21/05364-7, 22/12895-1, 17/10118-0, 22/10484-4)

MOURA, JOAO PAULO C.; LUCCHETTI, LANNA E. B.; FERNANDES, CAIO M.; TRENCH, ALINE B.; LANGE, CAMILA N.; BATISTA, BRUNO L.; ALMEIDA, JAMES M.; SANTOS, MAURO C.. Experimental and theoretical studies of WO₃/Vulcan XC-72 electrocatalyst enhanced H₂O₂ yield ORR performed in acid and alkaline medium. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL CHEMICAL ENGINEERING, v. 12, n. 4, p. 11-pg., 2024-06-07. (22/15252-4, 21/14394-7, 21/05364-7, 22/12895-1, 17/10118-0, 22/10484-4)

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