As propriedades de catalisadores heterogêneos que variam em tamanho de "átomo único" a nanopartículas têm sido um interesse de longa data de pesquisadores experimentais e computacionais. Embora a compreensão atomística das propriedades em nível molecular de tais catalisadores tenha melhorado consideravelmente nas últimas duas décadas, os mecanismos pelos quais a estrutura do catalisador é acoplada ao ambiente químico e o impacto desse acoplamento nas propriedades catalíticas permanecem incompletamente compreendidos, limitando as oportunidades para a descoberta de materiais novos e interessantes. Para estender a gama de aplicações para catálise da vida real, este projeto de pesquisa se concentra no desenvolvimento e extensão de métodos disponíveis para prever como a estrutura de nanopartículas catalíticas multielementares, incluindo principalmente ligas metálicas, mas não limitadas a esses sistemas, é alterada por condições in-situ de reação para expandir a gama de aplicações para catálise do mundo real. Além disso, como essas modificações afetam a capacidade dos catalisadores de promover reações industrialmente relevantes. Para isso, a estratégia computacional usará cálculos periódicos de DFT de estruturas de superfície multielementares com composições variadas e estruturas locais para fornecer dados brutos para entrada em algoritmos de aprendizado de máquina baseados em formalismos de redes neurais de convolução de grafos de cristal. Esses formalismos regredirão os dados DFT para produzir expressões compactas de energia potencial, que serão então exploradas pela otimização global para prever geometrias médias de nanocatalisadores em determinadas temperaturas do reator. A conversão de compostos alcenos, que ocorre em alta temperatura, será usada como modelo para abordar como os efeitos térmicos podem levar à reestruturação da superfície das nanopartículas. As principais atividades deste projeto envolvem a seleção de materiais para reações industrialmente relevantes, cálculos de teoria funcional de densidade para superfícies e partículas de tamanho finito a serem usados como dados de treinamento para algoritmos de redes neurais; combinação de algoritmos de otimização global e local para abordar a inter-relação entre estrutura e propriedades físico-químicas de partículas finitas unárias e binárias; simulações para abordar as mudanças estruturais em diferentes ambientes e seus efeitos na atividade catalítica; e, quando possível, comparação com resultados experimentais. A partir desses resultados, este projeto visa contribuir para o entendimento atomístico das mudanças estruturais em nanopartículas de tamanho finito em condições de alta temperatura e seus efeitos nas reações químicas. (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)

Desenvolvimento de ionômetro polimérico de troca aniônica para sistemas de conversão eletroquímica

Estudar e colaborar no desenvolvimento, tratamento e caracterização de camadas cerâmicas para produção de células a combustível de óxido sólido a base de etanol e gás natural. 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.

O foco desse projeto de doutorado é a pesquisa de materiais e configurações inovadoras para o anodo de células a combustível de óxidos sólidos (SOFCs) de última geração, visando o uso de combustíveis alternativos ao hidrogênio, principalmente o etanol. Neste sentido, a fabricação de células SOFC será avançada para o uso de métodos de conformação cerâmica que seguem a tendência mundial dos principais desenvolvedores dessa tecnologia, visando elevado desempenho e competitividade. Serão fabricadas SOFCs suportadas no anodo, obtido por colagem de fita, e sobre o qual será depositado camadas finas de eletrólitos a base de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) e céria dopada com gadolínia (GDC), visando obter SOFCs unitárias de alto desempenho em temperaturas de ~800°C. A partir da obtenção destas células, serão feitos testes de adição de camada catalítica à base de GDC para uso de combustíveis como o etanol e o gás natural. A principal estratégia é obter camadas catalíticas com alta condutividade eletrônica por meio da fabricação de compósitos cerâmicos capazes de promover a reforma interna do combustível e a coleta de corrente do anodo. Estas atividades de pesquisa trarão avanços significativos para o processamento de materiais cerâmicos, usando técnicas avançadas de deposição coloidal e para o uso de combustíveis mais limpos e sustentáveis em SOFCs. (AU)

O grupo de pesquisa desenvolve projeto temático que envolve atividades nas quais o técnico será treinado e atuará. Estas atividade incluem a síntese, processamento e caracterização de materiais para células a combustível de óxidos sólidos. O grupo envolvido com esta pesquisa no IPEN conta com a seguinte infraestrutura para desenvolvimento do projeto: - Análise termogravimétrica e térmica diferencial simultâneas (Setaram, Labsys); - Análise dilatométrica (Setaram, Labsys); -Difratometria de raios X - Analisador de impedância Solartron 1260; - Sistema de medidas elétricas de 4-pontas de prova dc com atmosfera controlada, contendo ponte de resistência (LakeShore, 370) e multímetros e fontes/medidores de corrente tensão (Keithley 2000 e 2400); - Sensor e bomba de oxigênio (Setnag) para controle de pressão parcial de oxigênio do sistema de medidas elétricas; - Sistema de testes de células a combustível cerâmicas unitárias (ProbStat, Fiaxell); - Sistema de caracterização eletroquímica Solartron com interface eletroquímica 1297; - Fornos; - Moinho atritor (Netzsch); - Spin coater (Laurell, WS-Lite) - Fornos - Laboratório químico de preparação de amostras (capela, cortadora adiamantada, prensas, etc.) Estes equipamentos são fundamentais na execução do projeto e são compartilhados com os demais grupos participantes. O técnico será treinado e dará suporte para os usuários destes equipamentos. Ela contribuirá na gestão dos equipamentos, controlando entrada de amostras para análises, realização de análises, envio de dados, assim como na manutenção e controle de consumíveis usados para as experiências relacionadas como gases, cadinhos, porta-amostras, meios de moagem, anéis de vedação, refrigeradores, etc. A atuação do técnico é fundamental para garantir o bom funcionamento e operação adequada dos equipamentos, minimizando a deterioração/quebra por mau uso e garantindo a qualidade das análises e a segurança do laboratório. (AU)

Este projeto tem como finalidade o desenvolvimento de tintas cerâmicas que serão usadas para deposição de camadas finas de eletrólitos em células a combustível de óxidos sólidos. Os materiais usados são o óxido de cério dopado com gadolínio e o óxido de zircônio estabilizado com ítrio. Esses materiais serão preparados em suspensões usadas para deposição sobre substratos por impressora jato de tinta (inkjet). Esse método de deposição permitirá a construção de células suportadas no anodo, com eletrólitos densos e homogêneos com espessura na faixa de 5 a 10 µm. As suspensões serão analisadas por meio de ensaios granulométricos, análises de viscosidade e tensão superficial para adequá-las às condições de impressão a jato de tinta. Após as etapas de desenvolvimento das tintas cerâmicas, elas serão impressas no substrato anódico e os conjuntos anodo/eletrólito serão sinterizados em programação de temperatura e tempo adequada para a obtenção das meias células SOFC de alto desempenho. A microestrutura resultante das camadas depositadas será analisada por meio de microscopia eletrônica de varredura e testes eletroquímicos serão conduzidos para avaliação preliminar das células produzidas. (AU)

O Centro de Pesquisa para Inovação em Gás Natural (FAPESP-BG Brasil/Shell) da Universidade de São Paulo visa empreender atividades de pesquisa e desenvolvimento em novas aplicações para gás natural, bem como sinergias entre gás e outras tecnologias emergentes. Para cumprir tais objetivos, células a combustível demonstraram grande potencial. Entretanto, alguns desafios permanecem que ainda restringem sua difusão.Esta posição multidisciplinar de pós-doutorado trabalhará junto de uma equipe de pesquisadores com comprovada experiência e excelência nas áreas de células a combustível (IPEN) e dinâmica dos fluidos computacional (Núcleo de Dinâmica e Fluidos/EPUSP) para realizar otimização de forma de células a combustível baseada em métodos numéricos. O projeto otimizado de células a combustível apresentará ganhos em eficiência que são cruciais para aumentar a aceitação e uso de células a combustível em diversas aplicações. O caráter multidisciplinar e inovador do projeto proposto também permite a validação das simulações numéricas com resultados experimentais produzidos pelos pesquisadores do Centro de Pesquisa de Células a Combustível e Hidrogênio do IPEN. Este projeto de pesquisa está ligado ao CPE RCGI Research Centre for Gas Innovation (Processo FAPESP 2014/50279-4) dentro dos temas Engenharia e Físico-Química. (AU)

O técnico será treinado e dará suporte na preparação de amostras e para os usuários de vários equipamentos (medidas elétricas, analise térmica, dilatômetro, fornos, etc). Ele contribuirá na gestão dos equipamentos, controlando entrada de amostras para análises, realização de análises, envio de dados, assim como na manutenção e controle de consumíveis usados para as experiências relacionadas como gases, cadinhos, porta-amostras, meios de moagem, anéis de vedação, refrigeradores, etc.