As células a combustível de membrana de troca aniônica (AEMFCs) emergem como uma promissora tecnologia para a geração de energia limpa e eficiente. Para alcançar seu máximo potencial, é crucial superar os desafios relacionados à estabilidade e durabilidade das membranas aniônicas (AEMs). Recentemente foi proposta uma nova categoria de AEM por meio do projeto ao qual esta proposta está vinculada: as membranas assimétricas, que apresentam propriedades distintas em cada face e gradientes ao longo da sua espessura. Essas membranas têm o potencial de ultrapassar as limitações atuais e impulsionar o uso das AEMFCs. O desenvolvimento dessa tecnologia exige uma compreensão detalhada e manipulação dos gradientes de ionômeros funcionalizados ao longo da membrana. O objetivo deste projeto é desenvolver uma metodologia para caracterizar essas AEMs assimétricas, utilizando técnicas avançadas como espectroscopia Raman, AFM e TERS. Essa metodologia visa fornecer uma ferramenta eficaz para o desenvolvimento e otimização das membranas assimétricas, contribuindo para avanços significativos na tecnologia de células a combustível. (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)

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)