Oxidação eletroquímica de etanol em temperatura ambiente e intermediária: estudo quantitativo das vias reacionais por espectrometria de massas on-line

Na primeira parte do trabalho, foram investigados materiais ativos para eletro-oxidar etanol e acetaldeído seletivos para a rota C2 (Carbono 2) e, também, ativos para eletro-oxidar hidrogênio molecular, visando a aplicação em células a combustível de hidrogênio indireto. Neste tipo de célula, um processador de combustível externo desidrogena o etanol e os produtos desta reação, contendo H2, acetaldeído e, possivelmente, etanol residual, são direcionados para alimentar o ânodo. Neste sentido, o eletrocatalisador anódico pode ser ativo para a eletro-oxidação de etanol residual, bem como acetaldeído, mas este deve catalisar a reação via C2 com o objetivo de evitar a formação de espécies que envenenam a superfície catalítica (CO ou CHx), ou seja, a ligação C-C deve permanecer intacta. Os eletrocatalisadores bimetálicos foram formados por M/Pt/C (onde M = W, Ru ou Sn) e os produtos reacionais foram analisados por DEMS On-line. Os resultados mostraram que Ru/Pt/C e Sn/Pt/C apresentaram maiores taxas de reação global, no entanto, eles não foram seletivos. Por outro lado, W2/Pt3/C foi mais seletivo para a rota C2, dada a não formação de CH4 e CO2. Além disso, este material também foi ativo e estável para a eletro-oxidação de H2, mesmo na presença de acetaldeído, o que o torna um potencial catalisador para aplicação no ânodo de células a combustível de hidrogênio indireto. Na segunda parte do trabalho, o objetivo foi relacionado com o estudo de eletrocatalisadores seletivos para a rota C1 (Carbono 1). A oxidação eletroquímica do etanol e de seus produtos reacionais foram investigados por DEMS on-line em temperatura ambiente e intermediária (245oC). Para temperatura ambiente, utilizou-se solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4) e, para temperatura intermediária, utilizou-se ácido sólido (CsH2PO4) como eletrólito. Os eletrocatalisadores investigados foram formados por SnOxRuOx-Pt/C e Pt/C. Em temperatura ambiente, os resultados de polarização potenciodinâmica mostraram uma maior atividade eletrocatalítica para o material SnOxRuOx-Pt/C, com eficiência de corrente para formação de CO2 de 15,6% contra 15,2% para Pt/C, sob condições estagnantes, sem controle por transporte de massa. O stripping de resíduos reacionais, após a eletro-oxidação de etanol bulk, sob condições de fluxo, mostraram o acúmulo de espécies com 1 átomo de carbono (CO e CHx) que causam o bloqueio dos sítios ativos e são oxidadas eletroquimicamente somente em mais altos potenciais (ca. 1,0 V). Por outro lado, as curvas de polarização a 245oC mostraram maiores valores de eficiências de correntes para formação de CO2 (45% para Pt/C em ambos potenciais 0,5 V e 0,8 V contra 36% e 50% para SnOxRuOx-Pt/C em 0,5 V e 0,8 V respectivamente) quando comparado com os valores obtidos em temperatura ambiente, mas com atividades similares para SnOxRuOx-Pt/C e Pt/C. Para ambos os eletrocatalisadores, os estudos de espectrometria de massas a 245oC evidenciaram que as rotas eletroquímicas ocorrem em paralelo com rotas puramente químicas, envolvendo catálise heterogênea, de decomposição do etanol, produzindo H2 e CO2 como produtos majoritários.

Dinâmica molecular de sistemas iônicos poliatômicos: modelos polarizável e não-polarizável

Simulações de sais de carbonato fundidos pelo método de Dinâmica Molecular (MD) foram efetuadas com o modelo polarizável de cargas flutuantes (FC). O modelo de cargas flutuantes implementa os efeitos de polarização pelo método de Lagrangiano estendido, onde as variáveis extras são as próprias cargas parciais do íon poliatômico. O modelo FC foi parametrizado por meio de cálculos ab inito, aplicado ao ânion carbonato. Cálculos de Química Quântica ab initio foram utilizados para corroborar o modelo proposto para o ânion carbonato. Os sistemas investigados consistem em misturas de carbonatos alcalinos fundidos, Li2CO3/K2CO3, os quais são utilizados como eletrólitos em células a combustível. As simulações MD foram utilizadas para verificar o efeito da polarização dos ânions sobre a estrutura e dinâmica do líquido. Estudamos o efeito da inclusão de polarização sobre a condutividade do eletrólito.

Desenvolvimento de material BaCexPr1-xO3 (0 ≤ X ≤ 1) com estrutura perovskita para oxidação catalítica do CO a CO2 em reator de leito fixo

Barium Cerate (BaCeO3) is perovskite type structure of ABO3, wherein A and B are metal cations. These materials, or doped, have been studied by having characteristics that make them promising for the application in fuel cells solid oxide, hydrogen and oxygen permeation, as catalysts, etc .. However, as the ceramic materials mixed conductivity have been produced by different synthesis methods, some conditions directly influence the final properties, one of the most important doping Site B, which may have direct influence on the crystallite size, which in turn directly influences their catalytic activity. In this study, perovskite-type (BaCexO3) had cerium gradually replaced by praseodymium to obtain ternary type materials BaCexPr1-xO3 and BaPrO3 binaries. These materials were synthesized by EDTA/Citrate complexing method and the material characterized via XRD, SEM and BET for the identification of their structure, morphology and surface area. Moreover were performed on all materials, catalytic test in a fixed bed reactor for the identification of that person responsible for complete conversion of CO to CO2 at low operating temperature, which step can be used as the subsequent production of synthesis gas (CO + H2) from methane oxidation. In the present work the crystalline phase having the orthorhombic structure was obtained for all compositions, with a morphology consisting of agglomerated particles being more pronounced with increasing praseodymium in the crystal structure. The average crystal size was between 100 nm and 142,2 nm. The surface areas were 2,62 m²g-1 for the BaCeO3 composition, 3,03 m²g-1 to BaCe0,5Pr0,5O3 composition and 2,37 m²g-1 to BaPrO3 composition. Regarding the catalytic tests, we can conclude that the optimal flow reactor operation was 50 ml / min and the composition regarding the maximum rate of conversion to the lowest temperature was BaCeO3 to 400° C. Meanwhile, there was found that the partially replaced by praseodymium, cerium, there was a decrease in the catalytic activity of the material.

Electrolytic cells for plastic waste recycling

The current project assesses potential molten alloy anodes for Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) running on solid waste. A detailed phase diagram study was performed to locate probable anode systems. The molten metal oxide system PbO-Sb2O3 was selected as a possible molten alloy anode for this application. A detailed vapour pressure study of this system was performed. Several cells were fabricated to experimentally assess the electrochemical properties of this system. The work reveals several unexpected limiting features such as the incompatibility between the platinum and the chosen alloy. A second cell was built, this time using rhenium wires instead, preventing such reaction. However, the rhenium wire sublimes under oxidizing conditions (air) and the sealing glass and the chosen alloy system react with each other under long term use. Considering all these issues, a third cell design was conceived, surpassing some obstacles and providing some initial information regarding the electrochemical behaviour. The current project shows that many parameters need to be taken into account to ensure materials compatibility. For the PbOSb2O3 system, the high volatility of Sb2O3 was a serious limitation that can only be addressed through the application of new contact wires or sealing materials and conditions. Nonetheless, the project highlights several other potential systems that can be considered, such as Pb11Ge3O17, Pb3GeO5, Pb5Ge3O11, Bi2CuO4, Bi2PdO4, Bi12GeO20.

Electrolytes for ceramic oxide fuel cells

The main objective of this dissertation is the development and processing of novel ionic conducting ceramic materials for use as electrolytes in proton or oxide-ion conducting solid oxide fuel cells. The research aims to develop new processing routes and/or materials offering superior electrochemical behavior, based on nanometric ceramic oxide powders prepared by mechanochemical processes. Protonic ceramic fuel cells (PCFCs) require electrolyte materials with high proton conductivity at intermediate temperatures, 500-700ºC, such as reported for perovskite zirconate oxides containing alkaline earth metal cations. In the current work, BaZrO3 containing 15 mol% of Y (BZY) was chosen as the base material for further study. Despite offering high bulk proton conductivity the widespread application of this material is limited by its poor sinterability and grain growth. Thus, minor additions of oxides of zinc, phosphorous and boron were studied as possible sintering additives. The introduction of ZnO can produce substantially enhanced densification, compared to the un-doped material, lowering the sintering temperature from 1600ºC to 1300ºC. Thus, the current work discusses the best solid solution mechanism to accommodate this sintering additive. Maximum proton conductivity was shown to be obtained in materials where the Zn additive is intentionally adopted into the base perovskite composition. P2O5 additions were shown to be less effective as a sintering additive. The presence of P2O5 was shown to impair grain growth, despite improving densification of BZY for intermediate concentrations in the range 4 – 8 mol%. Interreaction of BZY with P was also shown to have a highly detrimental effect on its electrical transport properties, decreasing both bulk and grain boundary conductivities. The densification behavior of H3BO3 added BaZrO3 (BZO) shows boron to be a very effective sintering aid. Nonetheless, in the yttrium containing analogue, BaZr0.85Y0.15O3- (BZY) the densification behavior with boron additives was shown to be less successful, yielding impaired levels of densification compared to the plain BZY. This phenomenon was shown to be related to the undesirable formation of barium borate compositions of high melting temperatures. In the last section of the work, the emerging oxide-ion conducting materials, (Ba,Sr)GeO3 doped with K, were studied. Work assessed if these materials could be formed by mechanochemical process and the role of the ionic radius of the alkaline earth metal cation on the crystallographic structure, compositional homogeneity and ionic transport. An abrupt jump in oxide-ion conductivity was shown on increasing operation temperature in both the Sr and Ba analogues.

Síntese, estudo cinético e análise microestrutural do sistema cério-níquel obtido pelo método pechini

The cerium oxide has a high potential for use in removing pollutants after combustion, removal of organic matter in waste water and the fuel-cell technology. The nickel oxide is an attractive material due to its excellent chemical stability and their optical properties, electrical and magnetic. In this work, CeO2-NiO- systems on molars reasons 1:1(I), 1:2(II) e 1:3(III) metal-citric acid were synthesized using the Pechini method. We used techniques of TG / DTG and ATD to monitor the degradation process of organic matter to the formation of the oxide. By thermogravimetric analysis and applying the dynamic method proposed by Coats-Redfern, it was possible to study the reactions of thermal decomposition in order to propose the possible mechanism by which the reaction takes place, as well as the determination of kinetic parameters as activation energy, Ea, pre-exponential factor and parameters of activation. It was observed that both variables exert a significant influence on the formation of complex polymeric precursor. The model that best fitted the experimental data in the dynamic mode was R3, which consists of nuclear growth, which formed the nuclei grow to a continuous reaction interface, it proposes a spherical symmetry (order 2 / 3). The values of enthalpy of activation of the system showed that the reaction in the state of transition is exothermic. The variables of composition, together with the variable temperature of calcination were studied by different techniques such as XRD, IV and SEM. Also a study was conducted microstructure by the Rietveld method, the calculation routine was developed to run the package program FullProf Suite, and analyzed by pseudo-Voigt function. It was found that the molar ratio of variable metal-citric acid in the system CeO2-NiO (I), (II), (III) has strong influence on the microstructural properties, size of crystallites and microstrain network, and can be used to control these properties

Obtenção de polímeros de LCC para aplicação como antioxidante de biodiesel de soja

Biodiesel is a fuel obtained from vegetable oils, such as soy, castorbean, among others. The monoester of fatty acid of these oils have chains with mono, di and tri double connections. The presence of these insaturations are susceptible to oxidization. Antioxidants are substances able to prevent oxidization from oils, fats, fat foods, as well as esters of Alquila( biodiesel). The objective of this work is to summarize a new antioxidant from the Cashew Nut Shell Liquid (CNSL) using the electrolysis technique. A current of 2 amperes was used in a single cell of only one group and two eletrodos of stainless steel 304 in a solution of methanol, together with the eletrolits: acetic acid, sodium chloride and sodium hydroxide, for two hours of agitation. The electrolysis products are characterized by the techniques of cromatography in a thin layer, spectroscopy of infrared and gravimetric analysis. The material was submitted to tests of oxidative stability made by the techniques of spectropy of impendancy and Rancimat (EN 14112). The analyses of characterization suggest that the polimerization of the electrolytic material ocurred. The application results of these materials as antioxidants of soy biodiesel showed that the order of the oxidative stability was obtained by both techniques used

Estudo da sinterização de eletrólito sólido de céria dopada com gadolínia

Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy in electrical energy by a reaction directly. The solid oxide fuel cell (SOFC) works in temperature between 900ºC up to 1000ºC, Nowadays the most material for ceramic electrolytes is yttria stabilized zirconium. However, the high operation temperature can produce problems as instability and incompatibility of materials, thermal degradation and high cost of the surround materials. These problems can be reduced with the development of intermediate temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) that works at temperature range of 600ºC to 800ºC. Ceria doped gadolinium is one of the most promising materials for electrolytes IT-SOFC due high ionic conductivity and good compatibility with electrodes. The inhibition of grain growth has been investigated during the sintering to improve properties of electrolytes. Two-step sintering (TSS) is an interesting technical to inhibit this grain growth and consist at submit the sample at two stages of temperature. The first one stage aims to achieve the critical density in the initiating the sintering process, then the sample is submitted at the second stage where the temperature sufficient to continue the sintering without accelerate grain growth until to reach total densification. The goal of this work is to produce electrolytes of ceria doped gadolinium by two-step sintering. In this context were produced samples from micrometric and nanometric powders by two routes of two-step sintering. The samples were obtained with elevate relative density, higher than 90% using low energy that some works at the same area. The average grain size are at the range 0,37 μm up to 0,51 μm. The overall ionic conductivity is 1,8x10-2 S.cm and the activation energy is 0,76 eV. Results shown that is possible to obtain ceria-doped gadolinium samples by two-step sintering technique using modified routes with characteristics and properties necessary to apply as electrolytes of solid oxide fuel cell

Estudo da corrosão dos aços AISI 1010 e AISI 316L em soluções com elevado teor de cloreto e em ácido naftênico

A mudança no mercado global do petróleo nos últimos anos, com o declínio das reservas de óleo leve, têm forçado a busca por novos campos petrolíferos em ambientes mais remotos, como nos campos localizados na camada pré-sal, e a exploração de óleos pesados que possuem elevado teor de ácidos naftênicos. Isso acarreta em grandes desafios para a previsão do desempenho de materiais frente às novas condições ambientais em que estão inseridos. No presente trabalho, o comportamento da corrosão do aço carbono AISI 1010 e do aço inoxidável AISI 316L foi estudado em soluções aquosas com elevado teor de cloreto e em solução de ácido naftênico ciclopentanóico a fim de ter melhor entendimento da ação dessas espécies no processo de corrosão e simular a corrosão pela água de produção na indústria petrolífera. Foram aplicadas as técnicas de potencial de circuito aberto, polarização potenciodinâmica, voltametria cíclica, espectroscopia de impedância eletroquímica, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica, usadas, em cada caso, de acordo com a conveniência. O aumento da [Cl-] na faixa de 1,2–2,8 mol.L-1 não altera os processos catódicos e anódicos perto do Ecorr para os aços AISI 1010 e AISI 316L. Em condições de sobrepotenciais afastados do Ecorr, o aumento de [Cl-] aumenta os processos oxidativos de corrosão, o que é expresso pelas maiores densidades de corrente e carga anódica e aumento da perda de massa sofrida pelos eletrodos de ambos os aços. Portanto, os danos da corrosão são mais intensos quando se aumenta a [Cl-]. O aço AISI 1010 é ativo nas soluções de NaCl e a corrosão se propaga livremente de forma uniforme. Para o aço AISI 316L, uma ampla faixa de passividade pode ser vista nas soluções de NaCl; no Epit ocorre a ruptura do filme passivo e o crescimento de pites estáveis. Após 24 h de imersão em soluções de sulfato de sódio (branco) e de ácido naftênico ciclopentanóico ocorre crescimento de filme de óxido e as fases α-Fe2O3, Fe3O4 e δ-FeO(OH) foram identificadas nos espécimes de aço AISI 1010 e Fe3O4 foi identificado nos defeitos do filme prévio presente na superfície do aço AISI 316L. Os filmes formados em solução de ácido ciclopentanóico possuem menor resistência à polarização, maior rugosidade e maior taxa de corrosão quando comparado aos filmes crescidos na solução branco, para ambos os aços. A presença do ácido naftênico muda a forma como a reação de corrosão se procede e contribui para o aumento da corrosão. A corrosão naftênica foi mais pronunciada no aço carbono porque a presença dos elementos de liga no aço inox reduzem o número de sítios ativos ricos em Fe e tornam menos oportuna a ligação do Fe com o naftenato.

Estudo da corrosão e inibição dos aços carbono AISI 1010, inoxidável AISI 316 e duplex UNS S31803 em meio de solução de íons cloreto

O comportamento da corrosão e inibição à corrosão dos aços carbono AISI 1010, inox AISI 316 e duplex UNS S31803 foi estudado em meio de solução de íons cloreto à 3,0% (m/v), na ausência e presença do benzimidazol e imidazol como inibidores. A caracterização química e morfológica dos aços foi realizada por meio das técnicas de espectrometria de emissão ótica, difração de raios X (DRX), microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e energia dispersiva de raios X (EDX). As análises eletroquímicas foram realizadas através das técnicas de polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica. As análises de DRX e de metalografia mostraram as fases presentes em cada aço, sendo o aço AISI 1010 composto pela fase ferrita, o aço AISI 316 pelas fases de FeNi e Cr e o aço UNS S31803 pelas fases austenita e ferrita. Além disso, a metalografia e as análises de MEV e EDX permitiram identificar regiões e certos elementos presentes nos aços que propiciam à ocorrência da corrosão, tais como inclusões. Os inibidores foram testados em diferentes concentrações (25 ppm, 50 ppm, 100 ppm, 500 ppm e 1000 ppm) para os três aços, através das curvas de polarização e impedância eletroquímica, e verificou-se que para todas as concentrações houve aumento da resistência à corrosão dos aços. Pelas curvas de polarização verificou-se que o benzimidazol proporcionou aos aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803, eficiências de inibição de cerca de 51%, 71% e 75%, respectivamente. Enquanto que o imidazol apresentou eficiência de cerca de 73%, 95% e 86%, respectivamente. Os resultados de impedância eletroquímica mostraram que as eficiências de inibição do benzimidazol foram de aproximadamente 52%, 73% e 71%, respectivamente, para os aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803. E por sua vez, o imidazol apresentou eficiências de aproximadamente 96% para os aços AISI 1010 e AISI 316 e 85% para o aço UNS S31803. O teste de perda de massa mostrou que para o aço AISI 1010 tanto o benzimidazol quanto e o imidazol inibiram a corrosão, sendo que reduziram a corrosão em cerca de 17% e 24%, respectivamente. Nas análises das curvas de polarização em estudos com a água do mar observou-se que os inibidores foram menos eficientes do que em meio de solução de cloreto. O benzimidazol obteve eficiências de cerca de 14%, 50% e 33%, respectivamente, para os aços AISI 1010, AISI 316 e UNS S31803. Enquanto que o imidazol apresentou eficiências de aproximadamente 21%, 59% e 34%, respectivamente. Em todas as análises eletroquímicas e análise de perda de massa, o imidazol se mostrou o melhor inibidor para os aços estudados.

Presença e influência dos contraiões em filmes automontados

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física, especialidade de Engenharia de Superfícies, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Estudo de novas técnicas de caracterização da resposta eléctrica em (Bio)sensores (para detecção de componentes agrícolas)

Faculdade de Ciências e Tecnologia – Universidade Nova de Lisboa Departamento de Engenharia Electrotécnica Tese de mestrado

Estudo das ligas de alumínio aplicadas em construção naval nomeadamente na resistência à corrosão em estruturas navais soldadas

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia dos Materiais

Desenvolvimento e caracterização de um primário anticorrosivo para metais

As tintas são amplamente utilizadas para a prevenção da corrosão principalmente devido a aspectos económicos e conveniência. As estratégias de protecção da corrosão com recurso a tintas podem ser de vários tipos mas usualmente são função da aderência da resina, das propriedades barreira que o filme apresenta, e das propriedades anti-corrosivas dos pigmentos utilizados (seja por protecção por inibição ou por protecção catódica). Neste trabalho desenvolveu-se um primário anticorrosivo sem a utilização de pigmentos considerados tóxicos como o cromato de zinco. Assim, este primário é baseado em resinas de polivinil butiral (PVB) e pigmentos inibidores da corrosão não tóxicos. Foram caracterizadas as propriedades mecânicas e poliisocianato e também o efeito da concentração de ácido fosfórico no catalisador (fornecido em separado). Foram testados três pigmentos anticorrosivos: fosfato de zinco e ferro (ZF), fosfosilicato de estrôntico e cálcio (EC) e ortofosfato silicato hidratado de zinco, cálcio, estrôntico e alumínio (ZCEA). Avaliaram-se as propriedades anticorrosivas e mecânicas destes pigmentos a diferentes razões de Concentração Volumétrica de pigmentos (PVC) em função do seu valor crítico (CPVC) 80,60-1,15). Testaram-se inibidores de corrosão orgânicos juntamente com os pigmentos. As propriedades anticorrosivas foram avaliadas através das técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) e nevoeiro salino. Os resultados obtidos mostraram que 2% de ácido fosfórico no catalisador não alteram a aderência mas permitem melhorar a dureza de primério. Esta percentagem permite um aumento da resistência química do produto final. nos testes com diferentes resinas a diferentes proporções, os melhores resultados foram obtidos com a resina de poliisocianato com claras melhorias nas propriedades mecânicas. a avaliação dos diferentes pigmentos resultou na seguinte sequência decrescente das propriedades anticorrosivas ZCEA >EC>ZF. O ZCEA demonstrou uma menor sensibilidade à razão PVC/CPVC. A resistência à corrosão pode ainda ser melhorada com o inibidor de corrosão zinco-5-nitroisoftalato, tomando partido dos efeitos sinergéticos entre pigmento inorgânico e aditivos orgânicos. A comparação do primário formulado com o pigmento ZCEA a PVC/CPVC de 0,60 demonstrou melhores propriedades anticorrosivas do que os três produtos da concorrência testados.

Desenvolvimento de um sensor para detecção de nano e micro concentrações de deltametrina

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Física