53º Congresso Brasileiro de Quimica
Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4

ÁREA: Físico-Química

TÍTULO: Efeito da variação do método de redução por borohidreto no desempenho de eletrocatalisadores PtRu/C para aplicação em células de combustível de metanol direto.

AUTORES: Valente Silva, U.L. (UFPA) ; Miranda, I.S. (UFPA) ; Quadros, F.M. (UFPA) ; Souza, J.P.I. ()

RESUMO: Neste trabalho foi estudada o efeito da variação no método de redução por borohidreto sobre o desempenho catalítico de eletrocatalisadores PtRu (1:1) suportados em carbono frente a reação de oxidação de metanol em meio ácido.Para tanto foram preparados eletrocatalisadores usando-se diferentes razões molares de 1:1;2:1;5:1;50:1;250:1 entre NaBH4 e os metais.A redução foi realizada por gotejamento da solução redutora.Os eletrocatalisadores foram caracterizados por EDX e DRX .A eletro-oxidação do metanol foi estudada por VC e Cronoamperometria. A análise de EDX mostrou que o metodo de redução foi eficiente e a de DRX que houve formação de liga.Os testes eletrocatalíticos mostraram que o aumento na atividade catalítica está relacionado com o aumento na razão molar metais:borohidreto.

PALAVRAS CHAVES: PtRu/C; redução por borohidreto; metanol

INTRODUÇÃO: Um dos grandes desafios para o futuro é o desenvolvimento e a viabilização econômica de formas sustentáveis de geração de energia. Uma das mais promissoras tecnologias nessa área são as chamadas Pilhas ou Células de Combustível (CaC) principalmente a célula de membrana condutora de prótons (PEMFC).Um tipo particular de PEMFC que vem recebendo muito destaque ultimamente para aplicações em aparelhos eletrônicos de baixa potência é a DMFC – Direct Methanol Fuel Cell. Neste caso, é utilizada uma solução contendo metanol para alimentar o ânodo da célula. Estas células operam em baixas temperaturas e precisam de catalisadores suportados eficientes para promover as reações eletródicas. A platina é o principal metal utilizado como eletrocatalisadores em células a combustível, porém para a oxidação de alcoóis, ocorre um processo de envenenamento da platina pela adsorção de impurezas principalmente o CO (LAMY et al., 2004). Este fenômeno de “auto-envenenamento” dos catalisadores de Pt, fez com que esforços significativos fossem feitos para desenvolver novos materiais eletrocatalíticos. Neste sentido, A formação de liga de platina com outros metais é fundamental para a modificação de suas propriedades catalíticas e conseqüentemente superação do envenenamento por intermediários (ZHOU et al. 2004). A liga PtRu é considerada o catalisador com mais alta tolerância ao CO e sua atividade catalítica é fortemente dependente da forma de preparação,dentre essas formas destaca-se o método de redução por Borohidreto devido sua simplicidade e eficácia ( SALGADO et. al.,2010).Diante disso é fundamental verificar de que forma variações nesse método poderá favorecer o desempenho catalítico de catalalisadores PtRu frente a reação de oxidação de metanol.

MATERIAL E MÉTODOS: Os eletrocatalisadores foram preparados pelo método da impregnação utilizando como agente redutor borohidreto de sódio que de maneira genérica envolve a redução de metais, seguida de deposição de partículas dos mesmos sobre pó de carbono de alta área superficial Vulcan XC-72R (Cabot, 240m2. g-1). Neste método, o pó de carbono Vulcan XC-72R foi suspenso numa solução de 8 ml de água ultrapura e 2ml de álcool isopropílico. A mistura foi ultrasonicada por 20 minutos para a homogeneização da suspensão. Posteriormente 8095μl da solução H2PtCl6. 6H2O 0.0198 Mol.L-1 e 3056 μl de RuCl3.xH2O 0.0727 Mol.L-1 foram adicionadas à suspensão de carbono e em seguida deixada por mais 15 minutos no ultra-som.Após a agitação,o valor do pH da solução foi ajustado para 8 pela adição de NaOH 0.1 Mol.L-1. Em seguida a mistura foi aquecida em banho-maria, até atingir a temperatura de 80ºC onde as diferentes soluções de borohidreto de sódio foram gotejadas em porções separadas da suspensão de metais em carbono para obtenção dos eletrocatalisadores PtRu/C-1,PtRu/C-2,PtRu/C-5,PtRu/C-50 e PtRu/C-250. No final do processo o metal reduzido é filtrado, lavado com água morna e colocado para secar em uma estufa. As composições atômicas dos catalisadores foram obtidas através das análises de EDX, enquanto o tamanho médio e os parâmetros de rede foram obtidos por DRX utilizando a equação de Debye-sherrer. Os ensaios eletroquímicos de voltametria cíclica e cronoamperometria foram realizados com um potenciostato modelo AUTOLAB PGSTAT 302 através do método do eletrodo de camada ultra-fina. As medidas foram realizadas em soluções de 1 Mol.L-1 de HClO4 + 0,5 Mol.L-1 de Metanol. As Correntes foram normalizadas pela carga de oxidação de CO afim de determinar a atividade catalítica intrínseca.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Pela técnica de EDX observou-se que a composição atômica média dos eletrocatalisadores está bem próxima da composição nominal comprovando a eficácia do método do borohidreto e pela análise de DRX Os tamanhos de cristalitos encontrados para os eletrocatalisadores obtidos estão na faixa de 6,32 a 4,90 nm. Hyun et al. (2008) encontrou valores na ordem de 4,1-2,2 nm para os eletrocatalisadores, no entanto a metodologia utilizada foi o despejamento rápido da suspensão de carbono sobre a solução redutora. Há também uma diminuição nos parâmetros de rede dos eletrocatalisadores para valores em torno de 3,89 Å, valores estes menores que o do cristal de platina puro que é 3, 91 Å indicando bons indícios de que a formação de liga pode ocorrer nas mais variadas concentrações de NaBH4. Os voltamogramas cíclicos no sentido anódico mostraram que para a região de interesse tecnológico (0,3 a 0,5 V), os eletrocatalisadores PtRu/C-50 e PtRu/C-250,apresentam valores maiores de corrente do que os demais eletrocatalisadores PtRu/C-1,PtRu/C-2,PtRu/5 atestando o efeito benéfico do aumento da concentração da solução de NaBH4. Os resultados obtidos com a técnica de cronoamperometria também mostraram que os sistemas PtRu/250 e PtRu/50 apresentaram maiores valores de corrente do que os catalisadores PtRu/1,PtRu/2 e PtRu/5 após 20 minutos de operação no potencial de 500 mV,novamente indicando o efeito benéfico do aumento da concentração de NaBH4 na solução utilizada para redução dos metais. Esse fato deve-se, provavelmente, aos menores tamanhos de cristalito dos eletrocatalisadores preparados por maiores razões molares e uma provável boa dispersão no suporte de carbono. (HYUN et al. 2008)



Figura 1.Voltamogramas cíclicos dos catalisadores PtRu/C obtidas em solução de 0,5 Mol.L-1 de CH3OH + 0,1 Mol.L-1 de HClO4 a 20mV/s.



Figura 2.Cronoamperometria de oxidação de metanol sobre os catalisadores PtRu/C obtidas em solução de 0,1 Mol.L-1 de HClO4 + 0,5 Mol. L-1 de CH3OH.

CONCLUSÕES: As análises por EDX e DRX mostraram que as razões atômicas obtidas são similares às composições nominais de partida e que houve formação de liga.Através das medidas eletroquímicas foi atribuída a seguinte ordem de atividades PtRu/C-50 > PtRu/C-250 > PtRu/C-5 > PtRu/C-2 > PtRu/C-1.A maior atividade específica apresentada pelos eletrocatalisadores preparados com razões molares borohidreto:sais mais elevadas indica que para a reação de oxidação de metanol em meio ácido ,a atividade catalítica intrínseca das nanopartículas de PtRu também aumenta com a diminuição do seu tamanho.

AGRADECIMENTOS: Á Deus pelas graças alcançadas,à Minha Família e Amigos pelo incentivo e ao LECaC e a CAPES pela disponibilidade para realização dos experimentos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: HYUN, M. KIM,S. LEE, B. PECK, D. SHUL, Y. JUNG, D. Effect of NaBH4 concentration on the characteristics of PtRu\C catalyst for the anode of DMFC prepared by the impregnation method. Catalysis Today 132: 138-145, 2008.

LAMY,C et al.Recent progress in the direct ethanol fuel cell: developmente of new platinum-tin electrocatysts.Eletrochimica Acta.v.49,p.3901-3908,2004.

SALGADO J.R.C. et al. PtRu electrocatalysts supported on ordered mesoporous carbon for direct methanol fuel cell.Journal Power Sources.v.195,p 4022-4029,2010.

ZHOU,W. J. et al.Performance comparison of Law temperature direct alcohol fuel cells with differents anode catalysts, Journal of Power Sources,v.126;p 16-20,2004.