Eletrocatálise das reações catódica e anódica em célula a combustível alcalina de borohidreto direto

• Main Author: Amanda Cristina Garcia
• Other Authors: Edson Antonio Ticianelli
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2011
• Subjects: óxidos de manganês; reação de oxidação do borohidreto; reação de redução de oxigênio; borohydride oxidation reaction; manganese oxides; oxygen reduction reaction
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75131/tde-17042012-114405/

A reação de redução de oxigênio (RRO) e a reação de oxidação do borohidreto (ROB) foram estudadas em eletrólito alcalino em eletrodos formados por diversos tipos de óxidos de manganês dopados com Ni (II) dispersos sobre carbonos Monarch 1000, MM225 e E350. As técnicas de caracterização físico-química foram difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HR-TEM) equipado com espectrômetro de energia dispersiva de raios X (EDX). Já os estudos eletroquímicos compreenderam voltametria cíclica, curvas de polarização de estado quase estacionário além das técnicas de Espectroscopia de massas diferencial on line (DEMS) e Infravermelho com transformada de Fourier in situ (FTIR). Foi observada pequena inserção dos átomos de Ni na estrutura dos MnOx. A fase correspondente a NiMnOx/C está presente na forma de aglomerados nanocristalinos ou em forma de agulhas com tamanhos da ordem de 1,5 a 6,7 nm dependendo do tipo de carbono utilizado como substrato. Manganita (MnOOH) apresentou-se como fase preponderante para óxido de manganês disperso sobre carbono Monarch 1000 enquanto que para materiais dispersos sobre carbono MM225 e E350G a fase MnO2 esta presente em maior quantidade. Estudos eletroquímicos em camada fina utilizando eletrodo disco rotatório revelaram melhores atividade para a RRO e estabilidade para MnOx dopados com níquel. A RRO procede segundo o mecanismo peróxido, seguida pela reação de desproporcionação do íon HO2- formado. A extensão da reação de desproporcionação do íon HO2- aumenta com o aumento da quantidade de Ni. Sobre eletrocatalisadores suportados em carbonos MM225 e E350 a reação de desproporcionação é mais rápida e envolve um total de 4 e- por oxigênio molecular. As curvas de polarização para RRO obtidas na presença do íon BH4- mostraram que todos os materiais são tolerantes à presença do borohidreto. Resultados de DEMS on line e FTIR in situ mostraram que óxidos de manganês dopados com Ni além de serem ativos para RRO são também ativos para a ROB, porém há uma grande influência da composição e da morfologia dos materiais uma vez que, quando fases segregadas de Ni estão presentes nas amostras, a reação compete com a hidrólise heterogênea do BH4- levando a uma diminuição da eficiência faradaica. === The oxygen reduction reaction (ORR) and the borohydride oxidation reaction (BOR) were studied in alkaline medium on Ni (II) doped MnOx catalysts supported on different carbon powder substrates. Characterizations of physico chemical properties were made by X ray diffraction (XRD), high resolution transmition electronic microscopy (HR-TEM) equipped with X ray dispersive energy spectroscopy (EDS). Electrochemical studies involved cyclic voltammetry and oxygen reduction voltammograms. Also it was used Differential Electrochemical Mass Spectrometry on line (DEMS) and Fourier Transform Infra Red Spectrometry (FTIR) in situ. A small insertion of Ni atoms in the MnOx lattice was observed, this consisting of a true doping of the manganese oxide phase. The corresponding NiMnOx phase is present in the form of needles or agglomerates, with crystallite sizes in the order of 1.5-6.7 nm. Layered manganite (MnOOH) phase has been detected for the Monarch1000 supported NiMnOx material, while different species of MnOx phases are present at the E350G and MM225 carbons. Electrochemical studies in thin porous coating active layers in the rotating ring-disk electrode setup revealed that the MnOx catalysts present better ORR kinetics and electrochemical stability upon Ni doping. The ORR follows the so-called peroxide mechanism on MnOx/C catalysts, with the occurrence of minority HO2- disproportionation reaction. The HO2- disproportionation reaction progressively increases with the Ni content in NiMnOx materials. The catalysts supported on the MM225 and E350G carbons promote faster disproportionation reaction, thus leading to an overall four-electron ORR pathway. The results towards ORR in presence of sodium borohydride showed that all materials are tolerant to the presence of BH4- ion into some extent. DEMS on line and FTIR in situ showed that NiMnOx/C are also active toward the BOR, but there is a strong influence of the nature of the electrocatalysts with respect to the morphology, composition, the nature of the carbon substrate and the Ni load. Results indicate that the electrocatalysts containing segregate Ni phases, the bohohydride oxidation occurs together with the heterogeneous hydrolysis of the BH4- ion resulting in a decrease of the faradaic efficiency.