Estudo de técnicas para caracterização de catalisadores à base de platina para emprego em células a combustível

Abstract

As fontes de energia baseadas na queima de combustíveis fósseis desempenham um papel significativo na matriz energética mundial. Entretanto, a queima de tais combustíveis é a grande responsável pelo aumento da poluição atmosférica. Além disso, estes são recursos não renováveis, e suas reservas estão se exaurindo rapidamente. Para reverter tal panorama, buscase por fontes de energia menos poluentes, renováveis e mais eficientes. As células a combustível com membrana trocadora de prótons utilizam hidrogênio como combustível, geram apenas energia e água, e tem elevada eficiência. Um tema recorrente na pesquisa em células a combustível é a procura por novos catalisadores para este dispositivo, com maior eficiência e menor custo que a platina. A composição química e características morfológicas são muito importantes para o desempenho de um catalisador. Neste trabalho, foram estudados o suporte catalítico, o catalisador comercial de platina, e os catalisadores bimetálicos de Pt-Ni e de Pt-Mo. Estes matérias foram caracterizados através de difração de raios-X, espectroscopia de raios-X por dispersão em energia e microscopia eletrônica de transmissão. O suporte de carbono apresentou características de um material amorfo, similar ao coque, com adição de grupos oxigenados. Foi verificada uma significativa variação entre as concentrações metálicas nominais e medidas dos catalisadores Pt-Ni e Pt-Mo, o que sugere problemas nas sínteses destes materiais. Todos os catalisadores apresentaram partículas metálicas nanométricas e monocristalinas, com estrutura cristalina cúbica de face centrada. Quanto maior a quantidade de Ni inserida na estrutura cristalina do catalisador Pt-Ni, menor é o parâmetro de rede do material. Uma maior concentração de Ni nos catalisadores diminui o tamanho do cristalito. O aumento da quantidade de Mo nos catalisadores Pt-Mo praticamente não altera o parâmetro de rede da estrutura, mas diminui o tamanho do cristalito, e há maior formação de aglomerados de partículas.

Energy sources based on fossil fuels play a significant role in the global energetic sources. However, the burning of these fuels is largely responsible for the increase in pollution. Moreover, these are non-renewable resources, and its reserves are being depleted rapidly. To reverse this picture, less polluting, renewable and more efficient sources of energy are sought. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) using hydrogen as fuel, generate power and water only, and has high efficiency. Looking for new catalysts, with greater efficiency and lower cost than platinum, for this device is a recurring theme in this field. The catalyst support, the commercial platinum catalyst, the Pt-Ni and the Pt-Mo bimetallic catalysts were studied in this work. The physical characteristics of this materials were analyzed through analysis of X-ray diffraction, X-ray energy dispersive spectroscopy and transmission electron microscopy. The carbon support showed characteristics of an amorphous material similar to coke, with the addition of oxygenated groups. There was a significant variation between nominal and measured metallic concentrations in the Pt-Ni and Pt-Mo catalysts, suggesting problems in the synthesis of these materials. All catalysts showed monocrystalline metallic particles with nanometer size and face-centered cubic crystal structure. The greater the amount of Ni inserted into the crystalline structure of Ni-Pt, the smaller the lattice parameter of the material. Furthermore, a higher concentration of Ni in the catalyst decreases the crystallite size and particle diameter. Increasing the amount of Mo in the catalysts Pt-Mo practically does not change the network structure parameter, but decrease the crystallite size, the particle size of the catalyst and a greater formation of agglomerates of particles.