O referido projeto se baseia na preparação de membranas compósitas baseadas em polietileno e óxido de silício como eletrólito sólido em sistemas de conversão eletroquímico. A preparação de compósitos visa a obtenção de materiais com alta condutividade e excelentes propriedades química, mecânica e térmica. Os compósitos serão produzidos a partir de polímeros de polietileno de alta densidade (HDPE) e óxido de silício (SiO2) comerciais por extrusão dupla rosca, e serão submetidos a processos de copolimerização via radiação. O IPEN, por apresentar facilidades resultantes do seu histórico na área nuclear, apresenta infraestrutura única para síntese desses materiais. O objetivo principal desse projeto é otimizar as propriedades físico-químicas assim como desenvolver uma metodologia para aumento de escala na produção de tais materiais, que poderão ser empregados em células a combustível, eletrolisadores e conversores de metano a produtos de maior valor agregado.

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)

O referido projeto se baseia na preparação de ionômeros sólidos como componentes-chave de eletrodos de difusão de gás para a aplicação em sistemas de conversão eletroquímico. A preparação de ionômeros visa a obtenção de materiais com alta condutividade e excelentes propriedades química, mecânica e térmica. Os ionômeros sólidos serão produzidos a partir de polímeros comerciais, tais como os polímeros da família do polietileno e polímeros parcialmente perfluorados, e serão submetidos a processos de copolimerização via radiação. O IPEN, por apresentar facilidades resultantes do seu histórico na área nuclear, apresenta infraestrutura única para síntese desses materiais. O objetivo principal desse projeto é otimizar as propriedades físico-químicas assim como desenvolver uma metodologia para aumento de escala na produção de tais materiais, que poderão ser empregados em células a combustível, eletrolisadores e conversores de metano a produtos de maior valor agregado.

Membranas de troca aniônica (AEMs) podem ser usadas em vários dispositivos eletroquímicos para a produção de energia limpa e moléculas de alto valor agregado. A sociedade está progredindo para uma economia baseada em energias renováveis e há um sério compromisso global em reduzir a emissão dos gases do efeito estufa. Nesse contexto, a necessidade de armazenamento de energia em escala multi-GW torna-se iminente. Uma resposta para esse problema é a utilização de um sistema de armazenamento de energia à base de hidrogênio gerado pela eletrólise da água a partir de elétrons produzidos sem emissão de carbono. Nesse cenário, as AEMs são promissores eletrólitos sólidos para eletrolisadores de água (AEMWE) compactos e baratos. O uso de AEMs neste tipo de dispositivo reduz os problemas de corrosão dos componentes e permite a substituição de materiais caros por outros baratos e abundantes. No entanto, as AEMs tradicionais contem, frequentemente, grupos funcionais do tipo amônio quaternário, os quais geralmente oferecem pobre estabilidade química devido à suscetibilidade ao ataque pelo íon hidróxido (OH-). A necessidade de AEMs mais química e mecanicamente estáveis é o gargalo das tecnologias que usam este material como o componente principal. Nesse contexto, uma classe emergente de novo eletrólito de polímero sólido alcalino vem ganhando mais atenção: os ionenos. Ionenos são polímeros que incorporam cátions diretamente na estrutura base do polímero. Nesse tipo de polímero, o número de rotas de degradação é reduzido, tornando mais simples encontrar possíveis melhorias. Polímeros à base de poli (benz)imidazol, um tipo de ioneno, têm mostrado estabilidade química melhorada em ambientes de alto pH, proporcionando alta condutividade de hidróxido, e têm sido explorados com sucesso em vários dispositivos eletroquímicos. Diante desse cenário, esta proposta compreende a síntese de novas AEMs modificadas e quimicamente estáveis à base de poli(benz)imidazol para aplicações em reatores de conversão de metano e AEMWE, bem como o teste de AEMs e ionômeros produzidos no Brasil via enxertia induzida por radiação em AEMWEs. Este desenvolvimento de novas AEMs e testes em AEMWE serão realizados durante o estágio de 12 meses na Simon Fraser University, no Canadá, sob a supervisão do Professor Dr. Steven Holdcroft, que é um cientista líder neste tópico. (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)

A deposição de camadas finas em células a combustível de óxido sólido (SOFCs) demonstrou ser um método altamente relevante para melhorar o desempenho da célula a combustível. Métodos físicos de deposição de vapor (PVD), como a deposição por laser pulsado (PLD), surgiram para fabricar eletrólitos finos e densos e filmes de barreiras funcionais, pois permitem um ótimo controle da estequiometria e da microestrutura. Recentemente, foi proposto inserir uma camada protetora de céria dopada com gadolínio (GDC) para evitar reações interfaciais indesejadas entre o eletrólito de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) e o cátodo de última geração, a ferrita de cobalto estrôncio e lantânio (LSCF). No entanto, a etapa de fabricação da camada de barreira e dos componentes adjacentes da célula requer controle, pois a interdifusão de cátions geralmente ocorre através dos poros e dos contornos de grãos da barreira de GDC. Tais processos são ativados termicamente e levam a célula a uma rápida degradação, limitando seu potencial de aplicação. Portanto, é essencial desenvolver uma camada de barreira eficaz que melhore o desempenho das células e minimize a interdifusão. O foco deste estágio de pesquisa no IREC (Institut de Recerca en Energia de Catalunya) será na fabricação de camadas de barreira finas e densas depositadas pelo método PLD em SOFCs planares de grande área. A célula aprimorada será testada em condições realistas para avaliar sua aplicação visando o aprimoramento da técnica de PLD. O IREC é uma das principais instituições no mundo a desenvolver SOFCs usando o método PLD e o nosso grupo no IPEN instalou recentemente um sistema PLD. Portanto, o estágio é uma excelente oportunidade para treinar os alunos nessa poderosa técnica e trocar conhecimentos por meio de colaboração científica. (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)