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

Abstract

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.