Preparação e teste de eléctrodos bifuncionais de oxigénio para células de combustível regenerativas

Tese de mestrado em Química Tecnológica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012No desenvolvimento deste trabalho foram caracterizados eléctrodos, utilizando como electrocatalisador o óxido do tipo perovskite LaNiO3, sintetizado através de uma técnica de autocombustão. Também foi testada, como electrocatalisador, uma mistura do óxido LaNiO3 e 5% em massa de nanopartículas de Pt-Ru dispersas em carbono. Como substrato utilizou-se espuma de níquel e papel de carbono. O pó foi caracterizado por DRX de pós, SEM e BET. A fase cristalina LaNiO3 foi sintetizada com sucesso. As imagens de SEM mostraram que o pó preparado apresenta-se compacto e aglomerado sendo visíveis partículas esféricas e placas. Os estudos de BET para o LaNiO3, LaNiO3 + Pt-Ru e LaNiO3 + C revelaram que as áreas superficiais são 10,7; 6,9 e 11,6 m2 g-1. Os eléctrodos foram preparados através da técnica de brush painting e foram caracterizados morfologicamente através de técnicas de microscopia: MO, SEM e AFM. As imagens mostraram que filme fino do catalisador possui uma superfície homogénea e compacta apresentando alguma rugosidade. A caracterização electroquímica foi feita através de medidas de potencial em circuito aberto e voltametria cíclica. Foi possível determinar que o par redox envolvido nos processos que ocorrem na interface eléctrodo/KOH 1M é Ni2+/Ni3+. A determinação dos factores de rugosidade e de morfologia mostrou que os eléctrodos possuem elevada rugosidade e baixa porosidade, o que está de acordo com o observado por MO, SEM e AFM. O estudo da variação dos factores de rugosidade e morfologia com a carga de óxidos nos eléctrodos mostram que este parâmetro tem elevada influência nos factores de rugosidade e que o factor de morfologia é pouco afectado. A avaliação da actividade catalítica dos eléctrodos, para a reacção de libertação de O2, foi feita através do registo de curvas de polarização em estado estacionário, de onde foram retirados os parâmetros cinéticos. Para o declive de Tafel foi obtido o valor de 46 ± 1 mV. Estes resultados revelam boa actividade catalítica dos eléctrodos para esta reacção. A adição de nanopartículas de Pt-Ru dispersas em carbono provocou um aumento nas densidades de corrente para a reacção de libertação de O2. Para os eléctrodos preparados em papel de carbono foi obtido o valor de 81 ± 1 mV para o declive de Tafel, o que indica eléctrodos menos activos. A actividade catalítica dos eléctrodos do óxido LaNiO3 para a reacção de redução de O2 foi avaliada através de voltametria linear. Os resultados obtidos demonstraram que os eléctrodos apresentam boa actividade catalítica para a RRO. Foi possível concluir que os eléctrodos preparados com o óxido LaNiO3 possuem boa actividade catalítica tanto para a para a reacção de libertação de oxigénio quanto para reacção de redução de O2 mostrando-se potenciais candidatos para eléctrodos bifuncionais de oxigénio para as células de combustível regenerativas.In this work LaNiO3 perovskite-type oxide electrodes were prepared and characterized. The powders were synthetized by a technique of self-combustion. A mixture of LaNiO3 and 5% wt Pt-Ru nanoparticles dispersed on carbon was also tested as electrocatalyst. Nickel foam and carbon paper were used as substrate. The effect of oxide loading on the electrodes was also studied and showed that the roughness factor is depending on the oxide loading while the morphology factor is less affected. The powder was characterized by XRD, SEM and BET techniques. The desired crystalline phase was successfully synthesized. SEM images showed a compact and agglomerate powder, with spherical and plates-shaped particles. The BET studies showed a powder with high surface area, values of 10,7; 6,9 e 11,6 m2 g-1 were obtained for LaNiO3, LaNiO3 + Pt-Ru e LaNiO3 + C respectively. The electrodes were prepared by brush painting and characterized by morphological and electrochemical techniques. Morphological analysis showed a rough film of the catalyst with a uniform and compact surface. Electrochemical characterization indicated Ni2+/Ni3+ as the redox pair involved in the processes that occurs at the electrodes interface. Roughness and morphological factor analysis showed high surface area electrochemically active and low porosity electrodes. The catalytic activity for the oxygen evolution reaction was evaluated by kinetics studies. The Ni/LaNiO3 electrodes showed a Tafel slope of 46 ± 1 mV for oxygen evolution reaction, and these results indicate good catalytic activity for this reaction. The addition of Pt-Ru nanoparticles increased the current densities of these electrodes. The electrodes prepared on carbon paper were less active, showing a Tafel slope of 81 ± 1 mV. Concerning oxygen reduction reaction, both type of electrodes showed high current densities, demonstrating good catalytic activity for this reaction, namely PC/LaNiO3. It can be conclude that the electrodes prepared showed good catalytical activity for both oxygen reduction and evolution reactions, proving to be potential candidates as oxygen bifunctional electrodes for regenerative fuel cells