Catalisadores de metais não-nobres do tipo Fe-Nx/C (átomos de ferro coordenados com átomos de nitrogênio, em uma estrutura empacotada de carbono) e preparados usando como precursor o complexo Fe[(2,4,6-Tris(2 pyridyl)-1,3,5-Triazine)]2 2+, [Fe(TPTZ)2]2+, têm sido frequentemente estudados quanto às suas atividades catalíticas para diversas reações, entre as quais a reação de redução de oxigênio. No entanto, apesar das boas perspectivas, estes catalisadores ainda não têm sido testados quanto a atividade frente a reação de evolução de hidrogênio, uma importante reação envolvida na eletrólise da água. Nestes termos, o presente trabalho compreende a preparação de catalisadores Fe-Nx/C à base de (Fe[TPTZ]2 2+) por vários métodos, que serão então caracterizados após possíveis mudanças na atividade catalítica para reação de evolução de hidrogênio durante e após diferentes testes de experimentos de estabilidade, investigando diferentes tipos de eletrodo de membrana em uma única célula para monitorar a durabilidade do eletrocatalisador. A pesquisa nesta área deve auxiliar no desenvolvimento futuro de reações de evolução de hidrogênio, especialmente quando se utilizam células a combustível de membrana eletrolítica de polímero (PEMFCs). Será realizadas a análises de XPS (Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X), que é considerada uma das técnicas mais avançadas de caracterização de eletrocatalisadores. (AU)

Células a combustível de membrana trocadora de prótons (PEMFCs) são candidatas promissoras para a conversão verde de hidrogênio em energia elétrica. Um problema considerável obstruindo a implementação em larga escala de PEMFCs é a durabilidade inadequada dos materiais componentes, como a degradação da camada eletrocatalítica suportada. Negro de fumo (CB) é comumente usado como o suporte de carbono, contudo a sua estabilidade é limitante para uso prolongado de PEMFC. CB no catodo é oxidado na ciclagem de liga e desliga da PEMFC, desprendendo nanopartículas de Pt e formando aglomerados, levando à uma queda de desempenho.Essa degradação é devida às condições agressivas a que estão expostas o carbono,como alto conteúdo de água, baixo pH, alto potencial (1,4 V vs EPH) e alta concentração de oxigênio. O grupo de Greg Swain na Universidade Estadual de Michigan está propondo uma nova abordagem para resolver o problema de oxidação do catodo nas PEMFC's. Essa estratégia envolve a preparação, caracterização e o desempenho eletroquímico de pó de diamante condutor. Materiais de alta área superficial estão sendo preparados pela formação de uma camada de diamante ultrananocristalino dopado com boro (B-UNCD) na superfície de vários substratos de pó. Diamante condutor é altamente resistente à corrosão no potencial de circuito aberto de uma PEMFC (ca. 1,0 V) e em potenciais ainda mais positivos. Portanto, é esperado que a resistência à corrosão e a durabilidade dos pós de diamante preparados será muito superior àquela de suportes de carbono sp 2 convencionais, como CB. Nesse contexto, o projeto proposto pretende caracterizar materiais híbridos sp 2/sp 3 através de várias técnicas. As técnicas utilizadas serão difração de raios X (XRD), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia RAMAN, adsorção de gás BET(porosidade e área superficial específica), microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e difração de elétrons (ED). Essas análises permitirão distinguir domínios sp 2 e sp 3 de carbono e também possibilitarão uma correlação a ser feita entre a escala micro e nano da estrutura do carbono e de suas propriedades eletroquímicas observadas. Além disso, pós híbridos de diamante/nanografeno estão sendo feitos para aplicação em super capacitores, nos quais revestimentos de B-UNCD são formado sobre pós de carbono sp 2/sp 3 . Se houver tempo disponível, testes iniciais eletroquímicos desses materiais também serão realizados. (AU)

Os eletrólitos sólidos baseados em membranas de troca aniônica são alternativas promissoras para o desenvolvimento de eletrólitos mais eficientes para células a combustível alcalinas (AFC), e esta nova classe de AFC é usualmente chamada Célula a Combustível de membrana de troca aniônica (AEMFC, do inglês Anion Exchange Membrane Fuel Cell). Em geral, as membranas aniônicas são polímeros ionoméricos, da mesma forma como membrana de troca de prótons, utilizadas nas famosas células PEM (Proton Exchange Membrane). No caso das AEMs, os íons hidroxila (OH-), ligados ionicamente ao grupo amônio quaternário, formam a rede de condução de cargas, as quais são caracterizadas por terem um elevado pH equivalente. Um ponto-chave no desenvolvimento das AEMs é a estabilidade química, térmica e mecânica das membranas, e estas são fortemente dependentes da natureza dos grupos funcionais (capazes de transportar os ânions hidroxila) e também da cadeia polimérica principal. Além da temperatura, a principal causa de degradação dos grupos aniônicos e cadeias poliméricas é a alcalinidade do meio. As membranas aniônicas mostram, em geral, valores de condutividade iônica menores do que as correspondentes membranas de troca protônica. Parte desta baixa condutividade ocorre em função do baixo número de íons OH-, resultante do baixo número de grupos catiônicos, como consequência do baixo grau de enxertia das cadeias laterais nos polímeros-base. Neste sentido, a pesquisa sobre metodologias sintéticas que forneçam a reticulação de um grande número de grupos catiônicos ao polímero-base é essencial para a obtenção de valores de condutividade satisfatórios. Neste contexto, o projeto envolverá, também, o desenvolvimento de eletrólitos poliméricos aniônicos, para o fornecimento de condutividade iônica aos eletrodos utilizados em células a combustível alcalinas. A preparação dos eletrodos, assim como a montagem do sistema, serão otimizadas de acordo com as características físico-químicas das membranas aniônicas utilizadas. (AU)

A demanda energética global, junto à necessidade de um aproveitamento eficiente dos recursos naturais, tem estimulado o desenvolvimento de técnicas para um aproveitamento sustentável da biomassa. Assim, polióis como o Glicerol (GlOH), Sorbitol, Arabitol e Xilitol, os quais são derivados da biomassa, tem sido sinalados como precursores estratégicos para a produção de compostos químicos com valor agregado. Neste contexto, as aplicações eletroquímicas surgem como possibilidades para a obtenção de energia ou produtos com valor agregado a través da oxidação eletroquímica de estas e outras moléculas similares.O estudo do mecanismo da reação de eletro-oxidação de polióis (REOP) vem sendo explorado por meio de técnicas eletroquímicas e espectroscópicas. No entanto, existe um desconhecimento relativamente grande dos intermediários de reação de quase todas as reações que envolvem moléculas orgânicas pequenas (Etanol, Etilenoglicol, etc.), e um desconhecimento total no caso do GlOH e de polióis de cadeia mais longa.Portanto, fazem-se necessários estudos com o intuito de desenvolver materiais para serem utilizados como ânodos que aliem: 1) Alta eficiência de oxidação dos polióis a CO2 (Cêlulas a combustível) e 2) Oxidação seletiva em baixos potenciais a produtos de valor agregado com obtenção simultânea de H2 ultrapuro (Eletrolisadores). Levando em conta a complexidade de superfícies policristalinas, oferecendo uma ampla quantidade de sítios de adsorção com diferentes energias de ligação, neste trabalho propomos fazer estudos mecanísticos sobre superfícies modelo de Pt (monocristais) com diferente densidade de defeitos. As vias reacionais serão investigadas por Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Espectrometria de Massas Eletroquímica Diferencial (DEMS) e Cromatografia Líquida de Alta Pressão (HPLC), todas as técnicas nomeadas associadas com técnicas eletroquímicas convencionais. Este tipo de medidas experimentais, somadas aos cálculos teóricos utilizando a teoria funcional da densidade (DFT), vão permitir um maior conhecimento da dependência dos mecanismos da REOP com as características dos catalisadores metálicos e da estrutura dos diferentes diastereômeros e enantiômeros que serão investigados. Isto finalmente vai gerar um maior entendimento fundamental da catálise eletroquímica deste tipo de moléculas de grande interesse industrial. Por último, a interação com o grupo do Prof. Koper ajudará à nucleação de um novo grupo de pesquisa em nossa instituição com uma visão multidisciplinar e com uma grande capacidade de estudo de mecanismos de reação eletroquímica.

As águas residuárias de vinicultura provocam um dos principais impactos ambientais na Espanha e no Brasil devido aos aspectos qualitativos e quantitativos do efluente: alta concentração de material biodegradável (superior a 10 g L-1), baixo pH e poluentes recalcitrantes. Várias tecnologias biológicas têm sido propostas para o tratamento de águas residuárias de vinicultura, no entanto as células a combustível microbiana (CCM) não foram aplicadas ao tratamento desse tipo de águas residuárias. As CCM tem ganhado atenção nos últimos anos, pois permitem tratar água residuária e gerar energia elétrica através de reações bioeletroquímicas. A novidade deste estudo consiste em tratar águas residuárias de vinicultura usando CCM de fluxo ascendente sem membrana trocadora de prótons. Primeiramente, a água residuária de vinicultura será caracterizada. Depois, a CCM de fluxo ascendente sem membrana trocadora de prótons será inoculada com lodo oriundo de sistema de lodos ativados da Estação de tratamento de esgoto de Ciudad Real, mantido sem aeração durante cinco dias para o desenvolvimento de uma comunidade microbiana anaeróbia; e operada em diferentes tempos de detenção hidráulico. Durante a operação, as análises físico-químicas e de desempenho elétrico vão ser conduzidas para avaliar o sistema. Este estudo irá fornecer informações sobre a viabilidade do uso de CCM de fluxo ascendente sem membrana trocadora de prótons e também o efeito do tempo de detenção hidráulica para tratar águas residuárias de vinicultura e gerar energia elétrica direta. Desta forma, este projeto também visa estabelecer um convênio de pesquisa com uma universidade espanhola para contribuir para a inserção internacional da ciência brasileira. (AU)

As células combustíveis microbianas vêm se destacando nos últimos anos como um modo de converter resíduos orgânicos, incluindo águas residuárias, em bioeletricidade. Durante o estágio serão realizados estudos experimentais para quantificar o desempenho e otimizar a eficiência da CCM na geração de eletricidade, adaptar modelos matemáticos para as configurações testadas e realizar um "scale-up" na CCM que apresentar melhor desempenho. Serão testados diferentes materiais para o anodo, diferentes áreas para o catodo e Membrana de Troca de Prótons com espessura variável com suas respectivas. Para avaliar de forma mais precisa a interferência dos materiais as CCM serão alimentadas com um substrato sintético à base de acetato, os reatores serão inoculados com cepas de Geobacter sulfurreducens, As CCM serão monitoradas continuamente quanto à geração de energia empregando a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) a qual permite avaliar o desempenho das CCM. Haverá também acompanhamento da eficiência da remoção do acetato nas CCM com análises no afluente e efluente das mesmas de: Carbono Orgânico Total e DQO, pH e alcalinidade. Os resultados serão separados por reator, condições operacionais e fases operacionais. (AU)

Esta solicitação visa obter financiamento, na modalidade de Bolsa de Pesquisa no Exterior, para realização de estágio no Jülich Research Center (FZJ, Alemanha). O tema de trabalho proposto é relacionado com a pesquisa de materiais para células a combustível de óxido sólidos (SOFCs). As SOFCs são os dispositivos conhecidos mais eficientes para a conversão direta da energia química de um combustível em energia elétrica e seu desenvolvimento tem atraído importantes esforços e investimentos. A SOFC tem como principais características a sua habilidade de operação com vários combustíveis e a possibilidade de projeto em diferentes configurações por ser a única célula a combustível em estado sólido. Especificamente, o trabalho de pesquisa a ser desenvolvido no FZJ é focado na deposição de camadas finas e densas de eletrólitos em SOFCs planares suportadas no anodo por meio da técnica de deposição física de vapor (PVD) com aplicação de uma voltagem bias. O uso de uma voltagem bias visa obter uma maior densidade de íons no plasma durante a etapa de deposição, produzindo camadas funcionais mais homogêneas e com alto desempenho. O FZJ pode ser considerado uma liderança mundial na área de SOFCs e já vem desenvolvendo pesquisa sobre a deposição física de vapor. O presente plano tem objetivo e cronograma de atividades definidos pelo supervisor do estágio Dr. H.P. Buchkremer e consistirá em uma oportunidade excelente de aprendizado para a evolução da carreira científica deste proponente e para o grupo de pesquisa neste tema do IPEN, abrindo a possibilidade de futuros intercâmbios e colaborações com um centro de excelência na área em questão. (AU)

Este Projeto tem como objetivo o estudo de conversores de potência para a interconexão de fontes de energia com dispositivos de acúmulo de energia, tais baterias e supercapacitores. Supercapacitores representam uma nova tecnologia que permite densidades de potência extremamente elevadas, embora com densidades de energia baixas. Possuem ótimas características dinâmicas quando submetidos à elevada demanda de corrente, o que os diferencia das baterias e dos geradores. Os conversores devem permitir o funcionamento adequado do sistema, garantindo alto rendimento elétrico, controle dinâmico que permita operação sob diversas condições de carga e assegurar a qualidade da energia. (AU)

O desenvolvimento do projeto de pesquisa baseia-se no emprego da espectroscopia de deflexão fototérmica (EDF) para caracterizar processos químicos superficiais pouco compreendidos, como aqueles envolvidos na eletrooxidação do metanol. O projeto está dividido em 6 partes: 1) adaptar uma fonte de luz infravermelha; 2) desenhar e construir uma célula eletroquímica de camada delgada; 3) operar a célula eletroquímica sob condições que a aproximam de uma célula combustível metano/ar; 4) usar o EDF para caracterizar reações interfaciais; 5) sugerir meios para melhorar a cinética de eletrooxidação do metanol; 6) relatório final e artigos. (AU)