A célula a combustível microbiana (CCM) apresenta-se como tecnologia promissora, pois possui a capacidade de gerar energia elétrica limpa, a partir do tratamento de águas residuárias. Porém, essa tecnologia apresenta desafios e limitações. Logo, o presente projeto tem o objetivo desenvolver um eletrodo eficiente e de baixo custo para ser aplicado no tratamento de digestato de biodigestores anaeróbios e assim superar algumas limitações tecnológicas. As CCMs de câmara dupla com fluxo contínuo serão avaliadas com diferentes modificações no eletrodo de carvão ativado granular (CAG). Os eletrodos serão modificados quimicamente a partir de uma solução condutora . Inicialmente a câmara anódica será alimentada com 5 gDQO L-1 e a câmara catódica será alimentada com água residuária de nitrato para promover a desnitrificação autotrófica. Após inoculação e estabilização, o sistema passará a ser alimentado com a incorporação de digestato e contará com 3 fases experimentais. Inoculação e adaptação; Efeito da incorporação do digestato e Acoplamento dos reatores. A eficiência do sistema para o tratamento será avaliada a partir do monitoramento dos parâmetros físico-químicos. A geração de energia elétrica e características eletroquímicas serão avaliadas a partir da tensão do sistema, que possibilita encontrar a densidade máxima de potência, caracterizar as reações e a ocorrência de mediadores redox e avaliar o desempenho do eletrodo. A extração do DNA do biofilme dos eletrodos e posterior sequenciamento, permitirá a avaliação da comunidade microbiana para elucidação e otimização dos processos bioeletroquímicos. Após o desenvolvimento do projeto, espera-se resultados positivos que levem ao aperfeiçoamento do sistema, a fim de aproveitar os recursos energéticos contidos no digestato antes de sua destinação final, contribuindo para o desenvolvimento sustentável no saneamento e energia. (AU)

Esta proposta de pesquisa visa disseminar para o público em geral o conhecimento desenvolvido no projeto "Do Fundamental à Aplicação: Alcançando novas Fronteiras em Tecnologias de Células a Combustível" a ser desenvolvido no Instituto de Física e Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em colaboração com o Centro de Investigação para Inovação em Gás (RCGI). A percepção pública das tecnologias de células de combustível é crítica para sua aplicação massiva. O objetivo desta proposta é triplo, um é produzir conteúdo sobre células de combustível e sobre o desenvolvimento contínuo do projeto para o público em geral, disseminar esse conteúdo nos diversos meios de comunicação e redes sociais por meio de storytelling digital e promover esse conhecimento nas escolas primárias e secundárias. Esta proposta pode ainda ser integrada no programa de divulgação do RCGI. Espera-se que as atividades aqui propostas possam contribuir para a compreensão e importância das Células de Combustível para o público em geral e em particular para as gerações mais novas.

Este trabalho se insere no escopo do projeto São Paulo Excellence Chair (SPEC) para a pesquisa e desenvolvimento de modelos computacionais de células a combustível. Uma das linhas de pesquisa deste projeto está relacionada ao desenvolvimento e otimização de células combustíveis, as quais apresentam reações químicas entre escoamentos de gases, qualificando-os, assim, como escoamentos compressíveis. Tendo em vista a complexidade das células combustível e da física envolvida, é necessário utilizar um método de otimização flexível e robusto. Assim, como investida inicial para o desenvolvimento de células otimizadas, esta pesquisa visa o estudo e desenvolvimento de um método de otimização para projeto de sistemas operando com escoamentos compressíveis com reações químicas que proporcione o projeto sistemático de equipamentos via otimização topológica. Assim, é necessário considerar modelos complexos que representem a física do escoamento de gases. Para tanto, o modelo consistirá das equações Navier-Stokes em combinação com equações de reação eletro-químicas. A otimização apresentará uma função objetivo visando a maximização da potência elétrica gerada baseando-se inicialmente no aumento da densidade de corrente. Além disso, este plano preve a realização de um período de estágio de pesquisa (BEPE) em colaboração com o prof. Nigel Brandon da Imperial College of London. (AU)

Este projeto está associado ao estudo da atividade de eletrocatalisadores que compõem o cátodo de células a combustível de membrana polimérica. (PEMFC, do inglês proton exchange membrane fuel cell). Além das PEMFC, o desenvolvimento do cátodo de oxigênio, onde ocorre a reação de redução de oxigênio (RRO), é de grande interesse por também apresentar aplicações em baterias metal/ar e na indústriacloro/soda. Em sistemas PEMFC convencionais, o material catalítico mais empregado para esta reação é formado por Pt dispersa em carbono, porém por razões de custo e de disponibilidade, muitos outros catalisadores substitutos à Pt têm sido investigados. Um exemplo é a utilização de metais de transição coordenados com nitrogênio e carbono (M-N-C, onde M é um metal de transição), que tem sido recentemente considerada para a promoção desta reação. Neste contexto, os estudos a serem desenvolvidos neste trabalho compreendem: (i) a avaliação da atividade eletrocatalítica de catalisadores M-N-C (M = Fe e Co) para a RRO em várias temperaturas, em células a combustível PEMFC formadas com membranas de Aquivion ® com diferentes propriedades como eletrólito; (iii) a caracterização da estabilidade eletroquímica e da durabilidade dos catalisadores neste sistema, apósserem submetidos aos testes eletroquímicos nas diferentes condições.

Devido à necessidade de reduzir as emissões de CO2, o desenvolvimento de novos métodos de armazenagem e geração de energia se tornaram imprescindíveis. Neste cenário, o uso de moléculas orgânicas pequenas na interconversão entre energias química e elétrica têm atraído grande interesse. Dentre estas moléculas, o isopropanol tem atraído atenção especial. Devido à posição do grupo -OH nos álcoois secundários, a molécula sofre uma adsorção diferente daquelas habitualmente estudadas, como o metanol, resultando em um menor valor de sobrepotencial em sua eletro-oxidação e tendo como produto majoritário a cetona, sem a produção de CO2. Há relatos da ocorrência de oscilações de potencial na eletro-oxidação do isopropanol, no entanto pouco exploradas. Dessa forma, este projeto se propõe, por meio de métodos eletroquímicos, a realizar um estudo detalhado das instabilidades cinéticas responsáveis por tais oscilações. Para tanto, a reação será estudada sobre catalisadores de Pt e Pt-Ru, e serão investigados os efeitos da temperatura e do pH. Com isso, espera-se obter dados quantitativos que contribuam com o desenvolvimento de novos dispositivos de armazenamento e geração de energia. (AU)

A célula a combustível de óxido sólido (do inglês solid oxide fuel cell, SOFC) pode ser operada reversivelmente para a regeneração do combustível, quando se trabalha no modo de eletrolisador de óxido solido (do inglês solid oxide electrolysis cell, SOEC) na mesma faixa de temperatura e empregando eletrólitos e materiais de eletrodos semelhantes. Este sistema configura a chamada célula a combustível reversível de óxido sólido (do inglês reversible solid oxide fuel cell, RSOFC). Este trabalho envolverá investigações do sistema RSOFC focadas no desenvolvimento de catalisadores catódicos bifuncionais, envolvendo modificações do mais conhecido material catódico, manganita de lantânio dopada com estrôncio (lanthanum strontium manganite, LSM), adicionando diferentes proporções de cobaltita de lantânio e estrôncio e de ferrita de lantânio estrôncio e cobalto. Os experimentos compreenderão primeiramente a preparação e/ou o processamento dos catalisadores mistos, e a caracterização dos materiais produzidos por diferentes técnicas físico-químicas. Isso será seguido por testes eletroquímicos desses materiais, compreendendo o modo de operação SOFC a ser conduzido por meio dos reagentes H2/ar; em seguida, o mesmo conjunto será colocado para funcionar na configuração SOEC, para a promoção da eletrólise da água, recuperando-se assim o combustível H2 e o oxigênio que será liberado no ar. (AU)

O hidrogênio é considerado a fonte de energia do futuro por sua capacidade de gerar uma ampla variedade de serviços de energia sem provocar danos ambientais em sua transformação. A produção de hidrogênio ocorre por meio da reforma ou eletrólise que pode ser realizada por outras fontes de energia. Quando essas fontes são renováveis como biomassa, energia solar fotovoltaica, eólica, hidroeletricidade, obtém-se hidrogênio verde, ou seja, energia limpa. A produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis é vista como uma alternativa global para a descarbonização da produção de energia e das atividades econômicas (Iida e Sakata, 2019; IEA, 2019). Os países latino-americanos têm potencial para obter uma vantagem comparativa em projetos de produção de hidrogênio verde com base na disponibilidade local de fontes renováveis para a produção de energia, por exemplo, eólica e solar no Brasil e no Chile (IEA, 2019). O desenvolvimento da produção de hidrogênio verde nos países latino-americanos depende de tecnologias que baixem os custos de geração de energia e criem escala em projetos além do mercado de exportação. Em parte, isso requer uma cadeia de negócios no país, com a ajuda de políticas públicas de incentivo ao consumo interno. Na literatura de catching-up, o surgimento de novos setores (indústrias) é explicado por meio da atualização gradual das capacidades tecnológicas das firmas (Lee e Lim, 2001; Morrison et al., 2008). Duas perspectivas teóricas explicam esse processo de atualização tecnológica e estrutura industrial. No primeiro, catching-up refere-se ao desenvolvimento gradual de competências por meio de aprendizagem gradual apoiada por iniciativas governamentais e integração de empresas locais em redes de valor globais e redes de produção (Gereffi, 1999; Morrison et al., 2008; Yeung e Coe, 2015). A outra perspectiva teórica, a diversificação relacionada, explica que o desenvolvimento industrial é um processo que se dá a partir de pré-condições endógenas. A diversificação de uma região tende a ocorrer em indústrias com capacidades tecnológicas relacionadas em um processo incremental (Hidalgo et al., 2007; Martin e Sunley, 2006; Neffke et al., 2014). No entanto, ambas as perspectivas teóricas não explicam como o desenvolvimento de novos setores ocorre em contextos de adoção tardia, nos quais as capacidades anteriores das empresas retardatárias não estão relacionadas com a nova indústria instalada, como foi especificamente observado com as indústrias de tecnologia limpa na China. Brasil e Índia (Binz e Anadon, 2018). O caso dos painéis solares na China surgiu de um processo diferente dos estabelecidos na literatura de catching-up, pois resultou do acesso a um sistema de conhecimento e recursos específicos da indústria desenvolvido em outro lugar e agregando-o às competências locais das indústrias manufatureiras por meio de um processo de diversificação não relacionado (Binz e Anadon, 2018). Isso difere do processo de recuperação de outras indústrias de tecnologia limpa, por exemplo, a indústria eólica. A estratégia das empresas retardatárias na indústria de painéis solares consistia em desenvolver capacidades específicas em outros lugares (por meio de redes) e "ancorá-las" localmente por meio da capacidade de absorção genérica (estrutura educacional, científica e industrial local) (Binz e Anadon, 2018). Essas perspectivas teóricas complementam um arcabouço que será utilizado em nosso estudo do caso da indústria do hidrogênio e seu desenvolvimento integrado com energias renováveis em países retardatários da América Latina. Pretendemos identificar as particularidades desse processo de catching-up em cada país, a partir do papel das políticas públicas, da matriz energética e das capacidades tecnológicas locais. Além disso, analisaremos as relações de cooperação internacional em tecnologias relacionadas ao meio ambiente para entender o papel externo no desenvolvimento das capacidades tecnológicas locais. (AU)

Estudar e colaborar no desenvolvimento, tratamento e caracterização de camadas cerâmicas para produção de células a combustível de óxido sólido para conversão do metano. Auxiliar os alunos a realizar os testes de caracterização, como termogravimetria, dilatometria, medidas de impedância e testes em células unitárias, além de contribuir para o bom funcionamento dos equipamentos e organização dos laboratórios. (AU)

As questões climáticas e a necessidade de reduzir as emissões de gases nocivos ao meio ambiente tem motivado a procura por fontes de energia limpas. Nesse contexto, a energia do hidrogênio e células a combustível desempenham um papel importante. Por outro lado, a produção de combustíveis fósseis para suprir a demanda energética ainda é majoritária e tem como um dos principais subprodutos o gás metano. Conversores eletroquímicos de metano se apresentam como uma tecnologia interessante de mitigação de potenciais efeitos de emissões de gases, com concomitante produção de energia. No contexto de produção de energia limpa e/ou minimizar efeitos de gases nocivos provenientes de combustíveis fósseis, o projeto ora proposto pretende atender essas expectativas a partir do desenvolvimento de membranas de troca aniônicas (AEMs) para serem utilizadas como eletrólito sólido em dispositivos eletroquímicos aplicados à tecnologia de células a combustível e conversores de metano a produtos de maior valor agregado, como metanol. Também pretende-se desenvolver os ionômeros de troca aniônica (AEIs) que serão utilizados como binders poliméricos nos eletrodos dos reatores eletroquímicos em questão. As AEMs são o principal componente dos sistemas eletroquímicos que operam em ambiente alcalino. Essas membranas têm inúmeras vantagens, como custo significativamente mais baixo em comparação ao estado-da-arte da membrana ácida (Nafion®), ambiente menos corrosivo e crossover de combustíveis do ânodo para o cátodo significativamente menor. No entanto, a principal razão pela qual as AEMs ainda não estão altamente disseminadas é a baixa estabilidade química dos grupos funcionais ligados a ela e aos ionômeros contra o ataque dos íons hidróxido (OH-), especificamente em meios de baixa hidratação. Entre os parâmetros que afetam a preparação das AEMs e AEIs sintetizados por enxertia via irradiação, encontram-se os diretamente relacionados à fonte de radiação (natureza da irradiação, taxa de dose e dose) e outros relacionados a componentes inerentes da reação de enxertia, tais como natureza do monômero, natureza do filme-base polimérico, concentração dos monômeros, adição de diluentes, adição de agentes de reticulação, temperatura de reação, adição de inibidor e espessura do filme; além da estrutura química da amina utilizada na reação de funcionalização. Sendo assim, visando a obtenção de materiais mais estáveis e com propriedades específicas, como altas capacidades de troca iônica (IEC), nesse estudo, pretende-se variar os parâmetros supracitados de forma a obter AEMs e AEIs inéditos e com posterior aplicação nos dispositivos eletroquímicos de interesse. (AU)

Neste trabalho, eletrocatalisadores formados por selenetos de Ni e Co dopados com Ir e Ag serão preparados por diversos métodos e então investigados quanto a atividade catalítica para às reações envolvidas na eletrólise da água e em células a combustível em meio alcalino, nominalmente as reações de evolução/redução de oxigênio ou evolução/oxidação de hidrogênio. Diferentes proporções dos selenetos em relação ao Ir ou a Ag serão empregadas, bem como diferentes pHs serão considerados nestas investigações. Os materiais serão preparados por eletrodeposição, por métodos coloidais ou hidrotérmicos ou também por método baseado no uso de microondas para a formação dos selenetos e a incorporação/dopagem dos metais Ir ou Ag, tendo como meta a produção de partículas de catalisador com tamanho nanométrico. Os materiais serão caracterizados por diversas técnicas, entre as quais destacam-se difratometria de raios X, microscopia eletrônica de transmissão e de alta resolução, acopladas ao mapeamento elementar por espectroscopia de energia dispersiva de raios X, espectroscopia Raman in situ, etc. Voltametria cíclica e medidas de polarização em regime estacionário conduzidas usando eletrodos de disco rotatório serão empregadas para obter as características eletroquímicas da superfície dos catalisadores e avaliar a cinética das diferentes reações sob investigação. (AU)