Quantum Mechanics Studies of Fuel Cell Catalysts and Proton Conducting Ceramics with Validation by Experiment

We carried out quantum mechanics (QM) studies aimed at improving the performance of hydrogen fuel cells. This led to predictions of improved materials, some of which were subsequently validated with experiments by our collaborators.

In part I, the challenge was to find a replacement for the Pt cathode that would lead to improved performance for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) while remaining stable under operational conditions and decreasing cost. Our design strategy was to find an alloy with composition Pt3M that would lead to surface segregation such that the top layer would be pure Pt, with the second and subsequent layers richer in M. Under operating conditions we expect the surface to have significant O and/or OH chemisorbed on the surface, and hence we searched for M that would remain segregated under these conditions. Using QM we examined surface segregation for 28 Pt₃M alloys, where M is a transition metal. We found that only Pt₃Os and Pt₃Ir showed significant surface segregation when O and OH are chemisorbed on the catalyst surfaces. This result indicates that Pt₃Os and Pt3Ir favor formation of a Pt-skin surface layer structure that would resist the acidic electrolyte corrosion during fuel cell operation environments. We chose to focus on Os because the phase diagram for Pt-Ir indicated that Pt-Ir could not form a homogeneous alloy at lower temperature. To determine the performance for ORR, we used QM to examine all intermediates, reaction pathways, and reaction barriers involved in the processes for which protons from the anode reactions react with O₂ to form H₂O. These QM calculations used our Poisson-Boltzmann implicit solvation model include the effects of the solvent (water with dielectric constant 78 with pH 7 at 298K). We found that the rate determination step (RDS) was the O_ad hydration reaction (O_ad + H₂O_ad -> OH_ad + OH_ad) in both cases, but that the barrier for pure Pt of 0.50 eV is reduced to 0.48 eV for Pt₃Os, which at 80 degrees C would increase the rate by 218%. We collaborated with the Pu-Wei Wu’s group to carry out experiments, where we found that the dealloying process-treated Pt2Os catalyst showed two-fold higher activity at 25 degrees C than pure Pt and that the alloy had 272% improved stability, validating our theoretical predictions.

We also carried out similar QM studies followed by experimental validation for the Os/Pt core-shell catalyst fabricated by the underpotential deposition (UPD) method. The QM results indicated that the RDS for ORR is a compromise between the OOH formation step (0.37 eV for Pt, 0.23 eV for Pt_2ML/Os core-shell) and H₂O formation steps (0.32 eV for Pt, 0.22 eV for Pt_2ML/Os core-shell). We found that Pt_2ML/Os has the highest activity (compared to pure Pt and to the Pt₃Os alloy) because the 0.37 eV barrier decreases to 0.23 eV. To understand what aspects of the core shell structure lead to this improved performance, we considered the effect on ORR of compressing the alloy slab to the dimensions of pure Pt. However this had little effect, with the same RDS barrier 0.37 eV. This shows that the ligand effect (the electronic structure modification resulting from the Os substrate) plays a more important role than the strain effect, and is responsible for the improved activity of the core- shell catalyst. Experimental materials characterization proves the core-shell feature of our catalyst. The electrochemical experiment for Pt_2ML/Os/C showed 3.5 to 5 times better ORR activity at 0.9V (vs. NHE) in 0.1M HClO₄ solution at 25 degrees C as compared to those of commercially available Pt/C. The excellent correlation between experimental half potential and the OH binding energies and RDS barriers validate the feasibility of predicting catalyst activity using QM calculation and a simple Langmuir–Hinshelwood model.

In part II, we used QM calculations to study methane stream reforming on a Ni-alloy catalyst surfaces for solid oxide fuel cell (SOFC) application. SOFC has wide fuel adaptability but the coking and sulfur poisoning will reduce its stability. Experimental results suggested that the Ni4Fe alloy improves both its activity and stability compared to pure Ni. To understand the atomistic origin of this, we carried out QM calculations on surface segregation and found that the most stable configuration for Ni₄Fe has a Fe atom distribution of (0%, 50%, 25%, 25%, 0%) starting at the bottom layer. We calculated that the binding of C atoms on the Ni4Fe surface is 142.9 Kcal/mol, which is about 10 Kcal/mol weaker compared to the pure Ni surface. This weaker C binding energy is expected to make coke formation less favorable, explaining why Ni₄Fe has better coking resistance. This result confirms the experimental observation. The reaction energy barriers for CHx decomposition and C binding on various alloy surface, Ni₄X (X=Fe, Co, Mn, and Mo), showed Ni₄Fe, Ni₄Co, and Fe₄Mn all have better coking resistance than pure Ni, but that only Ni₄Fe and Fe₄Mn have (slightly) improved activity compared to pure Ni.

In part III, we used QM to examine the proton transport in doped perovskite-ceramics. Here we used a 2x2x2 supercell of perovskite with composition Ba₈X₇M₁(OH)₁O₂₃ where X=Ce or Zr and M=Y, Gd, or Dy. Thus in each case a 4⁺ X is replace by a 3⁺ M plus a proton on one O. Here we predicted the barriers for proton diffusion allowing both includes intra-octahedron and inter-octahedra proton transfer. Without any restriction, we only observed the inter-octahedra proton transfer with similar energy barrier as previous computational work but 0.2 eV higher than experimental result for Y doped zirconate. For one restriction in our calculations is that the O_donor-O_acceptor atoms were kept at fixed distances, we found that the barrier difference between cerates/zirconates with various dopants are only 0.02~0.03 eV. To fully address performance one would need to examine proton transfer at grain boundaries, which will require larger scale ReaxFF reactive dynamics for systems with millions of atoms. The QM calculations used here will be used to train the ReaxFF force field.

Síntese e caracterização de biodiesel obtido via catálises homogênea e heterogênea de óleo extraído de sementes de Helianthus annuus

O biodiesel é definido como um mono alquil éster de ácidos graxos de cadeia longa derivado de fontes renováveis tais como óleos vegetais e gorduras animais. Sua importância esta associada ao uso como um combustível alternativo para motores do ciclo Diesel podendo ser utilizado puro ou em misturas com o diesel representando economia de petróleo e menor poluição ambiental. Em geral é obtido por meio da reação de transesterificação na qual os triacilgliceróis, principais constituintes dos óleos e gorduras reagem com álcool, em presença de um catalisador ácido ou básico, produzindo ésteres de ácidos graxos e glicerol. A transesterificação pode ser conduzida por catálise homogênea ou heterogênea. O grande desafio da indústria é otimizar o processo a fim de alcançar um produto e uma rota de produção tecnologicamente eficiente e ambientalmente correta. O objetivo desta pesquisa foi estudar a síntese do biodiesel utilizando o processo de transesterificação do óleo de girassol por catálises homogênea e heterogênea. Foram realizadas reações de transesterificação via rotas metílica e etílica, empregando como catalisador homogêneo alcóxido de potássio e como catalisador heterogêneo a resina comercial de troca iônica Amberlyst 26

Remoção de compostos sulfurados e nitrogenados de diesel hidrotratado por adsorção em argila, alumina e sílica-alumina, impregnadas com metais de transição

Na matriz energética brasileira, o óleo diesel tem lugar de destaque, porém ainda é comercializado com teores de compostos sulfurados e nitrogenados considerados altos para as legislações ambientais que entrarão em vigor nos próximos anos. Tradicionalmente, a remoção desses compostos de enxofre de correntes de petróleo é realizada por processos de hidrotratamento (HDT). No entanto, devido as características do diesel brasileiro, se faz necessária maior severidade para atingir as novas especificações dos combustíveis. Isto implica em investimentos e custos operacionais crescentes para atender a demanda que se instala. Neste contexto, a adsorção está sendo estudada para a purificação da corrente de óleo diesel oriunda da etapa de hidrotratamento como polimento final para alcançar as especificações mais exigentes. Sabe-se que os adsorventes comerciais apresentam limitações na remoção destes contaminantes e uma alternativa que tem se mostrado promissora é a incorporação de metais de transição na estrutura do sólido. No presente trabalho foram modificados adsorventes comerciais, tais como aluminas, sílica-aluminas e argilas pela introdução dos elementos níquel, colbalto e molibdênio e testado o desempenho dessas modificações frente à adsorção de compostos sulfurados e nitrogenados presentes em um diesel hidrotratado. Foram feitas caracterizações químicas, físicas, texturais e morfológicas dos sólidos com e sem incorporação de metais de transição na estrutura original. Os experimentos de adsorção foram realizados a 40C. Avaliando todos os sólidos, o adsorvente que mostrou o melhor desempenho na remoção de compostos sulfurados e nitrogenados por massa de adsorvente foi a sílica-alumina sem modificações, que foi capaz de remover em torno de 90% de compostos nitrogenados e 55 % de sulfurados para 2 g de sólido / 10 mL de diesel. Para os materiais modificados, observou-se que a incorporação dos metais de transição ocasionou redução da sua área superficial e do volume total de poros. Desta maneira, os efeitos esperados pelas interações entre o sítios metálicos e os compostos de nitrogênio e enxofre foram reduzidos

Produção de biodiesel pela rota heterogênea empregando catalisadores a base de Zn e Al

Nos últimos anos, a busca por fontes de energia renováveis e o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de biocombustíveis têm sido objeto de intensa investigação. O biodiesel é um combustível biodegradável, derivado de fontes renováveis e é obtido em escala industrial principalmente através da reação de transesterificação de óleos vegetais e/ou gorduras animais com metanol na presença de catalisadores homogêneos, como NaOH. Entretanto, a utilização de catalisadores heterogêneos tem sido sugerida por diversos autores, por apresentar vantagens como a eliminação dos problemas de separação e purificação dos produtos obtidos. No presente trabalho foi investigada a produção de biodiesel a partir da transesterificação do óleo de soja com metanol utilizando óxidos mistos de Zn e Al como catalisadores sólidos básicos. A influência das variáveis: temperatura, concentração de catalisador e relação molar metanol/óleo de soja na produção de biodiesel foi avaliada. Os catalisadores preparados apresentaram predominantemente sítios básicos e foram ativos frente à reação estudada, sendo os resultados mais promissores apresentados pelo óxido misto com relação molar Al/(Al+Zn)=0,50, obtido por tratamento térmico à 450C, que apresentou rendimentos em ésteres metílicos de até 98,5% sob condições específicas. A metodologia da superfície de resposta foi utilizada visando estabelecer as condições ótimas para maximizar o rendimento em ésteres metílicos, tendo sido encontradas a temperatura de 165oC e a concentração de catalisador de 5,8% m/m em relação massa de óleo, no caso da relação molar metanol/óleo de soja limitada em 15. Essa limitação teve como objetivo garantir um processo viável em escala comercial

Valoración de bio-oil completo por craqueo catalítico en condiciones de la unidad FCC de refinería

351 p.

Avaliação das propriedades físico-químicas do biodiesel de soja, algodão e mamona e da mistura de biodiesel de soja e algodão

Uma das maiores atividades humanas que gera impacto ao meio ambiente é o setor de transportes automotores, especialmente veículos que utilizam óleo diesel mineral como forma de combustível. Independente do conforto ou objetivos que levem a utilização deste tipo de transporte, estes produzem emissões que contém diversos tipos de poluentes atmosféricos. A substituição de óleo diesel mineral pelo biodiesel vegetal, vem se apresentando como uma alternativa para este setor, especialmente para o Brasil, que com base em sua imensa biodiversidade com plantas oleaginosas deverá se constituir em um dos maoires produtores mundiais de biodiesel vegetal. Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre três tipos de oleaginosas (soja, algodão e mamona) e uma msitura binária v/v soja e algodão. Os resultados obtidos neste estudo foram comparados as especificações definidas pelas normas: Brasileira (RANP 07/2008), Européia (EN/14214) e Americana (ASTM D-6751). Entre todas as amostras estudadas, o óleo de mamona não atende algumas propiedades físico-químicas das normas em questão. As amostras de biodiesel de soja e algodão, individualmente e combinadas, com caracteristicas, aplicações, zoneamento agroclimático e sazonalidade de produção regionalmente diferente apresentam propiedades físico-químicas semelhantes, podendo ser considerada uma fonte renovavél de energia.

Avaliação de correlações para propriedades físico-químicas de frações de petróleo

O petróleo é uma mistura complexa consistindo em um número muito grande de hidrocarbonetos. A descrição completa de todos os hidrocarbonetos existentes nessas misturas é inviável experimentalmente ou consome tempo excessivo em simulações computacionais. Por esta razão, uma abordagem molecular completa para cálculos de propriedades dessas misturas é substituído por uma abordagem pseudo-componente ou por correlações entre propriedades macroscópicas. Algumas dessas propriedades são utilizadas de acordo com a regulamentação de venda de combustíveis, e.g., para gasolina. Dependendo do esquema de refino e do óleo cru utilizado para produção desse combustível, uma larga variedade de valores é encontrada para as propriedades de correntes de processo que compõe o combustível final. A fim de planejar com precisão adequada a mistura dessas correntes, modelos devem estar disponíveis para o cálculo preciso das propriedades necessárias. Neste trabalho, oito séries de combustíveis brasileiros e duas séries de combustíveis estrangeiros foram analisadas: frações de gasolina, querosene, gasóleo e diesel. As propriedades analisadas para as frações são: número de octano, teor de aromáticos, teor de enxofre, índice de refração, densidade, ponto de fulgor, ponto de fluidez, ponto de congelamento, ponto de névoa, ponto de anilina, pressão de vapor Reid e número de cetano. Diversas correlações foram avaliadas e os melhores desempenhos foram destacados, permitindo uma estimação precisa das propriedades do combustível avaliado. Um processo de re-estimação de parâmetros foi aplicado e novos modelos foram ajustados em comparação com os dados experimentais. Esta estratégia permitiu uma estimativa mais exata das propriedades analisadas, sendo verificada por um aumento considerável no desempenho estatístico dos modelos. Além disso, foi apresentado o melhor modelo para cada propriedade e cada série

Valorization of scrap tires pyrolysis oil (STPO) through a 2-stage hydrotreating-hydrocracking strategy. Process variables and kinetic modeling

232 p.