A água residual de petróleo é o resíduo gerado em maior quantidade nas indústrias de petróleo e de gás natural. Estima-se que para cada barril de petróleo produzido gera-se pelo menos de 3 a 10 barris de água residual de petróleo. A água residual de petróleo é composta por uma mistura de diferentes compostos orgânicos e inorgânicos. Dentre os compostos orgânicos, podemos destacar os fenóis, tiofenos e os BTEXs (formados por benzeno, tolueno, etilbenzenos e xilenos) que apresentam elevada toxicidade. Devido à crescente produção de petróleo e de gás natural em todo mundo, o volume e a descarga de água residual de petróleo aumentou consideravelmente, provocando a contaminação do meio ambiente como um todo, e têm ultimamente se tornado uma questão de significativa preocupação às agências reguladoras da área da saúde e meio ambiente. Por esses motivos, grandes esforços de pesquisa têm se concentrado no monitoramento, detecção, quantificação e tratamento desse resíduo. Neste contexto, o desenvolvimento de um sistema de detecção destes contaminantes autossustentáveis alimentados por um sistema de Células a Combustível Microbiana (CCM) mostra ser uma alternativa muito atrativa e promissora. Desta forma, pode-se agregar em um único sistema geração de energia elétrica, detecção, quantificação e monitoramento de diferentes classes de compostos na água residual de petróleo. Através da CCM é possível realizar, a degradação e o tratamento de diversos compostos presentes nessa matriz via ação de microrganismos. Desta forma, a bioeletricidade gerada pode ser utilizada como fonte de alimentação de sensores ou biossensores eletroquímicos acoplados à estrutura da CCM, gerando assim um dispositivo com sensores ou biossensores autoalimentados. Sensores ou biossensores eletroquímicos, desenvolvidos pela modificação de eletrodos, podem ser uma excelente alternativa para a detecção, quantificação e monitoramento de diversos compostos presentes em diferentes matrizes com respostas confiáveis, rápidas, de fácil manuseio e de baixo custo. No mais, permitem o desenvolvimento de métodos analíticos mais robustos, com elevado desempenho e portabilidade. Assim, por meio da construção de um dispositivo combinando a CCM com sensores eletroquímicos acoplados à sua estrutura, é possível realizar simultaneamente a degradação, o tratamento e a quantificação eletroquímica de diversos compostos, como por exemplo, os BTEXs, presentes em amostras de água residual de petróleo. Portanto, este projeto tem como objetivo primeiramente desenvolver um método eletroquímico para a determinação e quantificação dos BTEXs na água residual de petróleo, através da construção de um sensor eletroquímico, obtido pela modificação da superfície de um eletrodo de carbono impresso com fosforeno e polímeros molecularmente impressos (MIPs). Posteriormente, será investigada uma CCM para a produção de energia elétrica, tratamento e degradação dos compostos orgânicos altamente tóxicos, como os BTEXs, presentes na água residual de petróleo. Como etapa final do projeto, propõem-se acoplar os dois sistemas para o desenvolvimento e obtenção de um sistema com sensores eletroquímicos autoalimentados, para a determinação, quantificação, tratamento e degradação de BTEXs na água residual de petróleo. A eficiência do sistema de detecção e tratamento será avaliada analisando a composição físico-química, a toxicidade e a mutagenicidade das amostras de água residual de petróleo antes e após o tratamento na CCM. (AU)

Um dispositivo eficiente e de baixo custo para a produção de hidrogênio deve mitigar o uso de combustíveis fósseis e potencializar o uso dos bio recursos na produção desse vetor energético. O desempenho, dependente do custo e do tamanho dos eletrolisadores comerciais, é um fator limitante dessa tecnologia para o armazenamento de energia renovável produzida localmente. Ao estudar novos materiais com pouco ou nenhum conteúdo de matérias-primas críticas, o projeto SACI2I tem como meta final aumentar o uso de eletrolisadores distribuídos para geração de H2. Com base nos resultados preliminares alcançados em células eletroquímicas de óxido sólido, o candidato propõe o uso de novos condutores iônicos duplos baseados em perovskitas monofásicas com alta entropia adaptada ao nível de dopagem para reduzir a temperatura de operação das células de eletrólise de óxido sólido na faixa de 400-700 °C. Métodos de revestimento convencionais e avançados para montagem de células serão estudados e otimizados de acordo com as propriedades físico-químicas dos materiais e o comportamento eletroquímico das células. As atividades de pesquisa visam demonstrar, na faixa de temperatura de 400-700 °C, a eletrólise do bioetanol para produzir H2 e eletricidade com maior eficiência em comparação com as abordagens catalíticas convencionais. Esta proposta de pesquisa está vinculada ao projeto Fapesp/Shell Proc 2020/15230-5 - BG E&P Brasil (Shell)-CPE "Centro de Pesquisa em Inovação em Gases de Efeito Estufa - RCG2I", coordenado pelo Prof. Julio R. Meneghini, em particular ao subprojeto " Uso eficiente do etanol para a produção de hidrogênio e eletricidade" coordenado pelo Prof. Hamilton Varela e com a participação dos Profs. Edson Ticianelli e Joelma Perez. Com base no conhecimento conjunto desenvolvido no CNR-ITAE e no IQSC-USP em cooperações anteriores (ou seja, projetos PVE Pesquisador Visitante Especial, processo CNPq nº 402180/2012-7, e Pesquisador Visitante, processo FAPESP 2018/02172-7) esta proposta de pesquisa visa: i) investigar novos materiais no âmbito do projeto Fapesp/Shell acima mencionado tendo como meta reduzir a temperatura de operação de eletrolisadores de óxido sólido para 400-700 °C; ii) melhorar a eficiência de conversão de bioetanol para Produção de H2, avaliando os efluentes da célula iii) reduzir o uso de matérias-primas tóxicas e críticas como ocorre nas células eletroquímicas convencionais de óxido sólido. (AU)

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)

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)

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)

Esse projeto propõe meios para valorizar a molécula de glicerol empregando processos eletroquímicos ambientalmente sustentáveis. Os dois subprojetos propostos fazem parte de uma investigação sistemática que vem sendo implementada ao longo dos anos no LEEA. Na primeira abordagem, a célula de eletrólise microbiana (MEC) irá permitir obter o biohidrogênio. Esse assunto é pouco pesquisado, mas vem crescendo, substancialmente, seu interesse nos últimos anos. Para que o sistema desenvolvido tenha sucesso algumas etapas importantes serão investigadas tais como: estabilidade do biofilme durante a aplicação da corrente; número de vezes que o biofilme pode ser reutilizado; pureza do hidrogênio produzido; maximizar a eficiência coulômbica do sistema eletroquímico. A CEM que será construída empregando um bioânodo microbiano formado a partir de uma cultura mista de bactérias, serão analisados parâmetros experimentais como, pH, temperatura e intensidade de corrente aplicada. Estes parâmetros permitirão a partir da comunidade bacteriana presente no bioânodo maximizar a geração de bio-H2. Estes serão identificados e quantificados usando como técnica de análise a cromatografia gasosa acoplada ao espectrômetro de massas (CG/MS) ou cromatografia líquida acoplada ao espectrômetro de massas (LC/MS). Paralelamente, propomos olhar para a célula combustível como um reator de eletrossíntese e investigar o comportamento oxidativo do glicerol empregando eletrocatalisadores de metais nobres (Pt e Pd) modificados terras raras (TR). Inicialmente será feito um estudo da atividade empregando a metodologia de biblioteca eletroquímica com os catalisadores binários PtTR e PdTR (n > 60). Várias técnicas de análise (difração de raios-X, Microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia de fotoelétron de raios-X e análise térmica diferencial). A seletividade no processo de oxidação de glicerol, no sentido de agregar valor ao combustível de partida será investigada por técnicas eletroquímicas clássicas (voltametria, cronoamperometrias, Co-stripping entre outras), espectroscopia de infravermelho in situ, eletrólise e testes de células a combustível. (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)