Estudo da influência da carga metálica de platina em eletrocatalisadores de platina suportados em carbono sobre a conversão de etanol em CO2 e sua aplicação em reformadores eletroquímicos
| Autor: | Alves, Bruno Gastão Correa |
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| Přispěvatelé: | Crisafulli, Rudy, Linares León, José Joaquín |
| Jazyk: | portugalština |
| Rok vydání: | 2022 |
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| Zdroj: | Repositório Institucional da UnB Universidade de Brasília (UnB) instacron:UNB |
| Popis: | Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2022. A presente dissertação de mestrado apresenta os resultados correspondentes à produção de hidrogênio verde a partir da reforma eletroquímica de etanol em um eletroreformador de membrana polimérica de alta temperatura baseados em polibencimidazol (PBI) impregnado com ácido fosfórico. Um dos parâmetros fundamentais que influencia na atividade do processo de eletroxidação de etanol (EOEt) é a porcentagem metálica na composição do catalisador. Com base na eficiência da Pt para a completa oxidação do etanol, este trabalho se foca na influência da porcentagem de Pt em catalisadores comerciais com diferente carga, 20, 40, 60 e 80% em peso de Pt sobre negro de fumo (Vulcan XC-72R) e negro de Pt. Os materiais são caracterizados físico-quimicamente por difratometria para avaliar as facetas cristalinas e o tamanho médio dos cristalitos, por análise térmica gravimétrica para confirmar a massa de metal depositado e mediante microscopia eletrônica de transmissão (MET) para avaliar a morfologia e distribuição de tamanho de partícula. Em seguida, os materiais são testados eletroquimicamente mediante estudos, em primeiro lugar, em célula de vidro de três eletrodos para determinar a área superficial eletroquimicamente ativa e a atividade do catalisador para a eletroxidação de etanol em um meio eletrolítico que mimetiza à célula unitária. Concluídos estes estudos de cunho mais fundamental, os catalisadores são testados em um eletrolisador de membrana polimérica com PBI-H3PO4, sendo analisado o desempenho eletroquímico e medidos os produtos obtidos na reação. Os resultados mostram que existe uma ótima performance eletroquímica e máxima seletividade a CO2 para o material 60% Pt/C. Cargas metálicas inferiores, apesar de possuirem um tamanho médio de cristal inferior e, portanto, uma maior área superficial, apresentam uma maior tendência a serem massivamente cobertas por espécies oxigenadas, tornando-as menos ativas para a EOEt, além de formar camadas catalíticas mais grossas, o que dificulta o transporte de reagentes e produtos. Por outro lado, cargas superiores conduzem a formação de nanopartículas maiores com menor área superficial e consequente desempenho eletroquímico. Em termos de seletividade, tal resultado pode ser obtido por um equilíbrio entre a concentração de sítios ativos, que aumentam a chance de readsorção do acetaldeído formado e sua oxidação completa sem uma camada difusora excessivamente fina que permita um transporte mais efetivo dos produtos formados, contrapondo-se ao efeito anterior. This master dissertation presents the results corresponding to the production of green hydrogen from the electrochemical reforming of ethanol in high temperature polymer exchange membrane electroreformer based on phosphoric acid doped polybenzimidazole (PBI). One the key parameters that influence the activity of the ethanol electro-oxidation (EtEO) is the metallic percentage in the catalyst composition. Based on the high efficient of Pt for the complete oxidation of ethanol, this work focuses on the influence of the Pt percentage in commercial catalyst with different loading, 20, 40, 60 and 80 wt% on carbon black Vulcan XC-72R and Pt black. The materials are physicochemically characterized by diffractometry to assess the crystalline facets and the average crystal sizes, by thermogravimetry to confirm the metallic loading, and by transmission electron microscopy (TEM) to assess the morphology and particle size distribution. Next, they are electrochemically evaluated by, first, half-cell three-electrode analysis to determine the electrochemically active surface area and the activity towards ethanol electro-oxidation in an electrolyte that mimics the single-cell. Completed this more fundamental studies, the catalysts are tested on a PBI-H3PO4 polymeric electrolyte electrolyzer, analyzing the cell performance and the formed oxidation products. The results reveal that there is an optimum in terms of electrochemical performance and CO2 selectivity for 60% Pt/C. Smaller metallic loading, despite having smaller crystal sizes and, hence, higher surface area, present a larger tendency to be massively covered by oxygenated species, becoming less active for EtEO, in addition to the formation of a thicker catalytic layer, which impairs the mass transportation. On the other hand, high metallic loadings notably reduce the surface area, which impacts on the performance. In terms of selectivity, a trade-off can be attained between an increase in the concentration of active sites for higher metallic loading, augmenting the chances for acetaldehyde readsorption and futher oxidation to CO2 and too thin catalytic layer in which product exit is more efficient, counterbalancing the mentioned effect. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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