Electrocatalysts composed of metalic nitrides, carbides, and oxides for the oxygen electrode

O desenvolvimento de eletrocatalisadores eletricamente condutores com alta atividade para a reação de redução de oxigênio (ORR - Oxygen Reduction Reaction) e desprendimento de oxigênio (OER - Oxygen Evolution Reaction) é de extrema importância e interesse para dispositivos de eletro-conversão de energia, como as células a combustível e eletrolisadores, que operam tanto em meio alcalino quanto ácido. Em meio alcalino, é possível o uso de metais não nobres e, assim, são viáveis para o uso em larga escala. Em meio ácido, é necessário o uso de materiais estáveis, uma vez que eles são expostos a um ambiente extremamente corrosivo e à altos potenciais, principalmente durante o processo de liga/desliga do dispositivo. Diante disso, este trabalho foi dividido em três linhas de pesquisa: Parte I - estudos de eletrocatalisadores bifuncionais para a ORR e OER em meio alcalino, sendo eles compostos por espinélios de manganês-cobalto em combinação com nanopartículas de ouro (MnCo2O4/Au). Parte II - estudos de eletrocatalisadores alternativos para a ORR em eletrólito ácido, onde foram considerados carbetos e nitretos de molibdênio (Mo2C-MoN) e, oxinitretos de tântalo (Ta-ON). Parte III - estudo de suportes alternativos ao carbono para a ORR em eletrólito ácido, sendo eles compostos por carbonitretos de tântalo e titânio (Ta-CN e Ti-CN). Os resultados da Parte I para MnCo2O4/Au mostraram que houve um aumento significativo na atividade de MnCo2O4 com a adição de ouro para ambas as reações. Foi possível observar que a combinação de nanopartículas condutoras (ouro) com nanopartículas ativas, mas não condutoras (MnCo2O4), é promissora para o desenvolvimento de eletrocatalisadores ativos para uso como eletrodos de oxigênio. Quanto a Parte II, os materiais compostos por Mo2C-MoN foram obtidos por meio da inserção de carbono e nitrogênio com tratamento térmico, na presença de carbono Vulcan e NH3, em alta temperatura. O material nomeado como MoN + Mo2C (molibdato) foi o que apresentou maior atividade catalítica, o que pôde ser atribuído ao menor tamanho de cristalito, maior quantidade da sua fase MoN e ao efeito sinérgico entre MoN e Mo2C, facilitando a ORR em comparação ao nitreto e carbeto de molibdênio puros. Nesta mesma linha de pesquisa, oxinitretos de tântalo foram sintetizados utilizando ureia como fonte de nitrogênio. Foi observado que Ti-Ta-ON apresentou maior atividade catalítica quando comparado aos demais eletrocatalisadores. Já na Parte III, os resultados para carbonitreto de titânio como suporte para a platina (Pt/Ti-CN) mostraram que, além da sua atividade para a ORR ser semelhante à platina suportada em carbono (Pt/C), ele também se mostrou mais estável que Pt/C após a realização de testes de estabilidade.The development of conductive electrocatalysts with high activity for the oxygen reduction and evolution reactions (ORR and OER) is of extremely importance for devices that electroconvert energy, such as fuel cells and electrolizers, which work in alkaline and acid media. A substantial amount of metals can be employed in alkaline electrolytes once the latter do not require the use of noble metals. The acid medium asks for stable materials, since they are exposed to a high oxidative environment and potentials during the start-up/shutdown events of the device. On the base of these facts, this research work has been divided into three parts: Part I - bifunctional electrocatalysts studies for the ORR and OER in alkaline electrolyte, the materials were composed of spinel manganese-cobalt oxide combined with gold nanoparticles (MnCo2O4/Au). Part II - studies of alternative electrocatalysts for the ORR in acid electrolyte, which included molybdenum carbides and nitrides (Mo2C-MoN), and tantalum oxynitrides (Ta-ON). Part III - alternative supports to the carbon for the ORR in acid electrolyte, which included tantalum and titanium carbonitrides (Ta-CN and Ti-CN). The results for MnCo2O4/Au, in Part I, showed that the addition of gold on the surface of the oxide improved the latter activity for both reactions. The combination of conductive nanoparticles (gold) with active, but non-conductive, nanoparticles (MnCo2O4) seems promising for the development of active electrocatalysts for the ORR and OER. In Part II, the materials composed of Mo2C-MoN were synthesized through carbon and nitrogen insertion, in a high temperature heat treatment, in the presence of Vulcan carbon and NH3. Among the gotten materials, the so called MoN + Mo2C (molybdate) showed the better electrocatalytic activity for the ORR, which could be attributed to its smaller crystallite size and the greater amount of its MoN phase, along with the synergistic effect between MoN and Mo2C. In this way, tantalum oxynitrides materials were obtained via a urea synthesis. The catalyst referred to as Ti-Ta-ON showed the better ORR activity among all the others studied oxynitrides materials. In Part III, besides the activity for the ORR of platinum supported on titanium carbonitride (Pt/Ti-CN) was similar to the activity of platinum supported on carbon (Pt/C), Pt/Ti-CN was also more stable than the latter, after the stability tests

Investigation of the catalytic activity of nanostructured electrocatalysts for BH4- ions electro-oxidation in alkaline media

As células a combustível de borohidreto direto apresentam uma alta voltagem teórica (1,64 V) e alto número de elétrons por íon do combustível. Além disso, a utilização de eletrólitos alcalinos abre a possibilidade do uso de metais eletrocatalisadores não nobres e, por conseqüência, economicamente viáveis para aplicação prática. Entretanto, a falta de um eletrocatalisador altamente eficiente para a reação de oxidação de borohidreto limita o desempenho desses dispositivos, pois a oxidação total do borohidreto, envolvendo 8 elétrons por espécie BH4-, compete com vias paralelas de reação, com menor número de elétrons trocados por cada ânion BH4-. Recentemente, simulações e cálculos teóricos foram feitos para determinar os passos elementares da cinética da reação e, também, para guiar a confecção de eletrocatalisadores metálicos para a oxidação de borohidreto. Baseado nos resultados dos estudos teóricos, este trabalho teve como objetivo a investigação da eletrocatálise desta reação em nanopartículas, suportadas sobre pó de carbono, de metais puros, Au/C, Ag/C, Pt/C e Pd/C e em nanopartículas bimetálicas, formadas pela combinação entre estes metais. Os eletrocatalisadores foram sintetizados por métodos de redução química e/ou de impregnação e foram caracterizados por Difratometria de Raios X, Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução e Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X. As atividades eletrocatalíticas foram medidas através de curvas de polarização usando eletrodo de disco rotatório. A hidrólise, com a consequente formação de H2, foi monitorada em função do potencial do eletrodo por meio de medidas de espectrometria de massas eletroquímica diferencial on-line. Os experimentos eletroquímicos, para os eletrocatalisadores de metais puros, mostraram maior atividade para Pd/C, o que foi atribuído à usa alta atividade para a eletro-oxidação do intermediário BH3OH-. O estudo do efeito da concentração de BH4-, de BH3OH- mostrou que os potenciais de onset tenderam a menores valores com o aumento da concentração, indicando que as correntes Faradaicas de eletro-oxidação direta do borohidreto e de hidroxiborano foram muito maiores que as correntes de oxidação e de desprendimento de H2. O aumento da carga de Pd/C no eletrodo levou a um aumento da corrente global de reação em baixos potenciais, o que se traduz em um efeito do aumento de área total. Dentre os materiais bimetálicos investigados, a combinação entre Pt2Pd/C apresentou a maior corrente Faradaica. O material de AgPd/C apresentou o menor potencial de onset de reação. Apesar dos resultados teóricos indicarem o aumento da atividade do Pd/C com a inserção de Ag, os resultados eletroquímicos e de espectrometria de massas indicaram maior atividade para o Pd/C puro e baixo efeito sinérgico entre os átomos de Ag e Pd. Isso foi associado ao baixo grau de interação entre os átomos de Ag e Pd nas composições atômicas investigadas.The direct borohydride fuel cells (DBFC) display a high theoretical cell voltage (1.64) and a high electron number per borohydride ion. Furthermore, the DBFC also presents the advantages of alkaline fuel cells, in which it is possible to use non-noble metal electrocatalysts and, hence, it is economically feasible for practical applications. However the lack of highly efficient electrocatalysts for the borohydride oxidation reaction (BOR) limits the performance of these devices, since its total oxidation, involving the transfer of eight electrons per BH4- ion, competes with parallel reaction pathways with a lower number of exchanged electrons. Recently, theoretical calculations were applied to determine the elementary steps of the reaction kinetics and also to guide metallic electrocatalyst design for borohydride oxidation. Based on the theoretical results, this work aimed at the BOR electrocatalysis investigation on carbon supported nanoparticles, of pure metals, Au/C, Ag/C, Pt/C and Pd/C, and on bimetallic nanoparticles, composed by the combination of these metals. The electrocatalysts were synthesized by chemical and/or impregnation reduction methods, and X-Ray Diffraction, High Resolution Transmission Electron Microscopy and X-Ray Energy Dispersive Spectroscopy techniques were used for their physical characterization. The electrocatalytic activities were studied by steady state polarization curves using rotating disc electrodes. The borohydride hydrolysis, with the production of H2, was monitored in function of the electrode potential by on-line differential electrochemical mass spectrometry. The electrochemical experiments for the pure metal electrocatalysts showed higher electrocatalytic activity for Pd/C, and this was attributed to its high activity for BH3OH- electro-oxidation. The study of BH4- and BH3OH- concentration effect showed that with the increase of concentration, the onset potential shifted to lower values, indicating that the Faradaic currents of borohydride and hydroxyborane electro-oxidation were much higher than the current for the H2 evolution. The increase in the Pd/C load on the electrode led to an increase of the global current reaction at low potentials, which was associated to an increase in total surface area. Among the investigated bimetallic materials, the Pt2Pd/C electrocatalyst presented the higher Faradaic current. The Ag2Pd/C material showed the lower reaction potential onset. Although theoretical calculations pointed out to an increased activity of the Ag-modified Pd/C electrocatalysts in relation to that of pure Pd/C, the electrochemical and mass spectrometry results of this work indicated higher activity for pure Pd/C, and low synergic effect between the Ag and Pd atoms. This was associated to the low degree of interaction between Ag and Pd for the present investigated atomic composition

Borohydride electrooxidation on Au and Pt electrodes

Direct borohydride fuel cells (DBFCs) are attractive energy generators for powering portable electronic devices, mainly due to their high energy density and number of electrons per borohydride ion. However, the lack of a highly efficient electrocatalyst for the borohydride oxidation reaction limits the performance of these devices. The most commonly studied electrocatalysts for this reaction are composed of gold and platinum. Nevertheless, for these metals, the borohydride electrooxidation reaction mechanism (BOR) is not completely understood, and the total oxidation reaction, involving eight electrons per BH4- species, competes with parallel reactions, with a lower number of exchanged electrons and/or with heterogeneous chemical hydrolysis. Considering the above-mentioned issues, this work presents recent advances in the knowledge of the BOR pathways on polycrystalline (bulk) Au and Pt electrocatalysts. It presents the studies of the BOR reaction on Au and Pt electrodes using in situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FUR), and on-line Differential Electrochemical Mass Spectrometry (DEMS). The spectroscopic and spectrometric data provided physical evidence of intermediate species and the formation of H-2 in the course of the BOR as a function of the electrode potential. These results enabled to advance in the knowledge about the BOR pathways on Au and Pt electrocatalysts. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.CAPESCOFECUBCAPES-COFECUB [598/0]Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP)Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP) [Proc. Fapesp 2009/07629-6, 2011/03672-4]COFECUB [Ph 598/08]COFECU

Monitoring the Surface Chemistry of Functionalized Nanomaterials with a Microfluidic Electronic Tongue

Advances in nanomaterials have led to tremendous progress in different areas with the development of high performance and multifunctional platforms. However, a relevant gap remains in providing the mass-production of these nanomaterials with reproducible surfaces. Accordingly, the monitoring of such materials across their entire life cycle becomes mandatory to both industry and academy. In this paper, we use a microfluidic electronic tongue (e-tongue) as a user-friendly and cost-effective method to classify nanomaterials according to their surface chemistry. The chip relies on a new single response e-tongue with association of capacitors in parallel, which consisted of stainless steel microwires coated with SiO₂, NiO₂, Al₂O₃, and Fe₂O₃ thin films. Utilizing impedance spectroscopy and a multidimensional projection technique, the chip was sufficiently sensitive to distinguish silica nanoparticles and multiwalled carbon nanotubes dispersed in water in spite of the very small surface modifications induced by distinct functionalization and oxidation extents, respectively. Flow analyses were made acquiring the analytical readouts in a label-free mode. The device also allowed for multiplex monitoring in an unprecedented way to speed up the tests. Our goal is not to replace the traditional techniques of surface analysis, but rather propose the use of libraries from e-tongue data as benchmark for routine screening of modified nanomaterials in industry and academy