Neste projeto visa-se estudar novos materiais cerâmicos com conteúdos limitados ou inexistentes de componentes críticos (materiais tóxicos ou raros), tendo como objetivo o desenvolvimento de dispositivos eficientes e de baixo custo para geração de energia e produção de hidrogênio. Assim, propõe-se o desenvolvimento de novos eletrólitos condutores protônicos e novos eletrodos à base de perovskita ABO3 de alta entropia, adequadamente dopados, a serem usados em células eletroquímicas de óxido sólido que trabalham na faixa de temperatura de 500 -700°C. O progresso além do estado da arte é representado pelo desenvolvimento de cerâmicas inovadoras (como zirconatos, molibdatos e zincatos, dopados de diversas formas nos locais A e B), caracterizadas pela alta condutividade iônica e estabilidade na referida faixa de temperatura, além de novos eletrodos à base de perovskita (como ferritas e molibdatos). Métodos químicos inovadores recentemente propostos via-úmida e de estado sólido serão empregados para garantir alta pureza, homogeneidade, pouca afinidade com CO2 e sinterabilidade dos óxidos de perovskita. Eletrodos porosos e eletrólitos estanques a gases serão confeccionados por sinterização convencional e por técnicas de consolidação inovadoras, como sinterização a frio e sinterização ultrarrápida em alta temperatura, estas últimas permitindo uma redução consistente do tempo e/ou temperatura de sinterização e do risco de separação de fases e reação com CO2. Os materiais serão caracterizados em termos de estrutura e porosidade, estabilidade química e mecânica, comportamento elétrico, a fim de identificar a rota de processamento adequada para montar protótipos de células individuais. A avaliação do comportamento eletroquímico destas células será útil para otimizar as condições de operação, minimizar perdas devido ao transporte de portadores de carga, reagentes e produtos. Serão realizados testes de durabilidade de pelo menos 500 horas para as células mais promissoras a fim de determinar parâmetros como taxa de conversão do combustível e eficiência eletroquímica. Os resultados a serem obtidos no projeto deverão contribuir ao avanço das tecnologias atuais, bem como na validação de dispositivos eletroquímicos inovadores que operem em temperatura intermediária. Isto permitirá romper a barreira rígida existente atualmente entre as tecnologias de baixas (dispositivos móveis ou veículos) e altas temperaturas (estacionárias) com a criação de uma nova geração de sistemas integrados e ambientalmente sustentáveis e que operam em temperaturas intermediárias. A proposta SACI_3 está sendo apresentada com o apoio do projeto Fapesp/Shell Proc 2020/15230-5 - BG E&P Brasil (Shell)-CPE "Centro de Pesquisa para Inovação em Gases de Efeito Estufa - RCG2I", coordenado pelo Prof. Julio R. Meneghini, subprojeto "Uso eficiente do etanol para produção de hidrogênio e energia elétrica" coordenado pelo Prof. Hamilton Varela. O objetivo é criar novos conhecimentos a partir da combinação das competências, equipamentos e recursos humanos da instituição sede (IQSC-USP) liderada pelo Prof. Hamilton Varela e a assistência do Dr. Massimiliano Lo Faro, um cientista reconhecido nesta área. A bolsa solicitada para o Dr. Lo Faro à FAPESP deverá abranger um período de 45 dias, da segunda semana de julho até a segunda quinzena de agosto de 2024. (AU)

Garantir a demanda crescente por energia da sociedade Brasileira e atingir a meta de redução de emissões de CO2 demanda investimentos em fontes de energia renováveis e tecnologias de baixo carbono. De modo a lidar com tal desafio, o Reino Unido possui uma extensa e madura infra-estrutura em pesquisa através do Hydrogen and Fuel Cell Research Hub. Células a combustível são dispositivos eletroquímicos de ascendente importância capazes de converter diretamente energia química em elétrica com alta eficiência. Entre células a combustível, células de óxido sólido e de eletrólito polimérico são indiscutivelmente as tecnologias mais maduras e de maior potencial para redução do consumo de combustíveis e de emissões de CO2. Não obstante, oportunidades para pesquisa e aprimoramento das tecnologias ainda são amplamente vistos como necessários para um uso em larga escala de células a combustível, em particular em se tratando de biocombustíveis e dispositivos de temperaturas intermediárias. Assim o objetivo primordial deste São Paulo Chair of Excellency é a criação de um núcleo Brasileiro de pesquisa em células a combustível focado em uma abordagem computacional multi-escalas fortemente acoplada a técnicas experimentais avançadas. Resultados deste projeto tem o potencial de posicionar o Brasil como um centro de excelência em pesquisa e implantação de células a combustível, permitindo o desenvolvimento de futuros sistemas eletroquímicos (p.ex., para a síntese de químicos renováveis) focados nas necessidades e oportunidades locais, através de um modelo de pesquisa multidisciplinar em laços sólidos com pesquisadores de renome mundial. (AU)

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)

Este projeto tem o objetivo principal sintetizar BiVO4 dopado com terra raras, em especial o ítrio (Y3+), em diferentes quantidades de doping para estudar a influência do dopante na degradação fotoeletroquímica de biomassas coletadas emambientes reais da indústria (têxtil, agrícola, papel e química). Um sistema fotoeletroquímico com acoplamento do fotoânodo desenvolvido com um fotocátodo já conhecido será avaliado para concomitante redução de H2O e oxidação do efluente. Os óxidos que serão depositados no fotoânodo por diferentes técnicas e serão produzidos por uma rota ambientalmente amigável utilizando o álcool polivinílico como solvente eaplicados em substrato de titânio e/ou FTO. A caracterização física dos filmes será realizada por técnicas de difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e análise por energia dispersiva, espectroscopia Raman e determinação de band-gap. As caracterizações eletroquímicas serão feitas por técnicas voltamétricas e espectroscopia de impedância eletroquímica. Estudos de fotocorrente serão realizados para os filmes deBiVO4 e de BiVO4 dopado com ítrio. A eficiência dos processos de degradação das espécies poluente durante os experimentos fotoeletrocatalíticos será avaliada utilizando as técnicas analíticas instrumentais de espectrofotometria UV/Vis, cromatografia líquida de alta eficiência e análise de teor de carbono orgânico total. No sistemafotoeletroquimico acoplado a redução de H2O haverá a quantificação dos produtos gerados. Esse processo será avaliado por técnicas cromatográficas para identificar e quantificar os subprodutos formados. (AU)

A necessidade de tecnologias de células de combustível foi identificada como essencial para atender aos desafios energéticos, ambientais e econômicos da Europa e da Ásia em aplicações de transporte e energia. Foi reconhecido que as células de combustível têm um papel importante na transformação para uma futura economia de baixo carbono(1), sendo um importante pilar do Plano Estratégico de Tecnologias Energéticas (SET) Plan(2,3), adoptado pelo Conselho Europeu( 4). As células de combustível de última geração de hoje, as células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs), já demonstraram maturidade tecnológica. No entanto, apesar de todos os esforços de pesquisa, os PEMFCs requerem metais preciosos caros e escassos como a platina, que são considerados matérias-primas críticas para a UE(5) e os EUA. Os AEMFCs são uma tecnologia de célula de combustível florescente que promete substituir o PEMFC no futuro, pois permite o uso de materiais acessíveis e livres de metais preciosos para converter energia química em eletricidade verde. Além desta principal vantagem, os AEMFCs também permitem uma ampla escolha de combustíveis, por exemplo, H2, amônia, uréia e outros combustíveis à base de nitrogênio ecologicamente corretos. No entanto, o desenvolvimento de AEMFC é significativamente prejudicado pela decomposição da membrana de troca aniônica (AEM) durante a operação da célula(6, 7). Para que os AEMFCs se tornem comercialmente disponíveis, uma nova abordagem deve ser usada para desenvolver a próxima geração de AEMs com estabilidade química significativamente maior. NAMEAS (Novel assimétricas membranas de troca aniônica para células de combustível) terá como objetivo desenvolver uma nova membrana de troca aniônica assimétrica altamente estável para AEMFCs, a fim de permitir que essa tecnologia atinja todo o seu potencial como dispositivo de conversão de energia. (AU)

O desenvolvimento sustentável é um dos desafios mais importantes do nosso século. Nos últimos anos conceitos como a Bioeconomia alavancaram políticas públicas e pesquisas que priorizam o uso ou reuso de matérias-primas renováveis. Assim, recursos renováveis, especialmente resíduos, são potenciais insumos para produzir combustíveis, materiais e energia. Neste contexto, este projeto tem como foco a valorização de resíduos orgânicos e inorgânicos por meio de processos bioquímicos e bioeletroquímicos para a obtenção de bioprodutos e bioeletricidade. O projeto propõe a continuidade da linha de pesquisa conduzida no Laboratório de Biotecnologia Ambiental e Energias Renováveis - LABIORE, do Departamento de Química da FFCLRP-USP. Processos biocatalisados por Clostridium e bioeletroquímicos catalizados por consórcios bacterianos tem sido o foco de nossas investigações. Espécies de Clostridium tem sido aplicada para a obtenção de hidrogênio e ácido butírico, além de 1,3-propanodiol (1,3-PDO) por fermentação de carboidratos e glicerol, respectivamente. Até o momento, tais bioprocessos foram conduzidos com compostos orgânicos e inorgânicos puros, visando mimetizar a composição de resíduos. Neste projeto, porém, deseja-se ampliar os conhecimentos adquiridos pela substituição de substratos puros por resíduos. Será investigada como a substituição parcial ou total dos compostos puros por resíduos impacta nos bioprocessos com Clostridium e com culturas mistas em CCM, em termos de produtividade e na fisiologia e bioquímica dos biocatalisadores. A concentração e a proporção que os resíduos podem ser utilizados será investigada por meio de planejamentos experimentais. Resíduos de composição predominantemente orgânica a serem explorados como fonte de carbono são o glicerol residual da produção de biodiesel e resíduos hortifrutícolas. Os macro e micronutrientes, essenciais ao funcionamento de sistemas biológicos serão substituídos por chorume de aterros sanitários urbanos ou seu concentrado (gerado após osmose reversa). Tais resíduos serão cofermentados para a obtenção de bioprodutos, tais como o H2, o ácido butírico, o 1,3-PDO em bioprocessos catalizados por Clostridium, além de eletricidade em Célula a Combustível Microbiana (CCM). Os bioprocessos serão acompanhados em termos de produtividade e eficiências, em cada etapa de substituição gradual de compostos puros por resíduos. Também serão monitoradas a expressão de enzimas chaves do metabolismo do Clostridium para o produto desejado. A Eficiência Coulomb no processo bioeletroquímico indicará a conversão de energia química contida nos resíduos em energia elétrica. A abordagem multidisciplinar do projeto é propiciada pelos participantes desta proposta. A valorização de resíduos orgânicos hortícolas é um dos objetivos de um projeto de colaboração que já vem sendo desenvolvido em conjunto com a Prof. Mónica Coca do Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente Universidad de Valladolid (Espanha). A Prof. Adalgisa Rodrigues de Andrade (FFCLRP/USP) contribuirá com a caracterização dos processos bioeletroquímicos e a Prof. María Eugenia Guazzaroni (FFCLRP/USP) com a investigação de comunidades microbianas envolvidas na degradação dos resíduos em CCM. Desta forma, os resultados do projeto auxiliarão na compreensão dos limites e na resiliência dos microrganismos aos resíduos. A substituição de insumos puros por resíduos, promoverá a valorização dos resíduos possibilitando a obtenção de produtos de valor agregado de forma mais sustentável e economicamente mais atrativa. (AU)

Garantir a demanda crescente por energia da sociedade brasileira e atingir a meta de redução de emissões de CO2 demanda investimentos em fontes de energia renováveis e tecnologias de baixo carbono. De modo a lidar com tal desafio, o Reino Unido possui uma extensa e madura infraestrutura em pesquisa através do Hydrogen and Fuel Cell Research Hub. Células a combustível são dispositivos eletroquímicos de ascendente importância capazes de converter diretamente energia química em elétrica com alta eficiência. Entre células a combustível, células de óxido sólido e de eletrólito polimérico são indiscutivelmente as tecnologias mais maduras e de maior potencial para redução do consumo de combustíveis e de emissões de CO2. Não obstante, oportunidades para pesquisa e aprimoramento das tecnologias ainda são amplamente vistos como necessários para um uso em larga escala de células a combustível, em particular em se tratando de biocombustíveis e dispositivos de temperaturas intermediárias. Assim o objetivo primordial deste São Paulo Chair of Excellency é a criação de um núcleo Brasileiro de pesquisa em células a combustível focado em uma abordagem computacional multi-escalas fortemente acoplada a técnicas experimentais avançadas. Resultados deste projeto tem o potencial de posicionar o Brasil como um centro de excelência em pesquisa e implantação de células a combustível, permitindo o desenvolvimento de futuros sistemas eletroquímicos (p.ex., para a síntese de químicos renováveis) focados nas necessidades e oportunidades locais, através de um modelo de pesquisa multidisciplinar em laços sólidos com pesquisadores de renome mundial. (AU)