Estudos eletroquímicos de uma célula termogalvânica de cobre empregando diferentes líquidos iônicos como eletrólito

Abstract

Células termogalvânicas são conversores termoelétricos que consistem de dois eletrodos imersos em uma solução eletrolítica mantidos em temperaturas diferentes. Esta diferença de temperatura gera uma diferença de potencial que pode ser empregada para conduzir corrente através de um circuito externo. Desta forma, energia térmica é convertida diretamente em energia elétrica. Os eletrodos normalmente utilizados em células termogalvânicas são inertes e apresentam custo elevado. Além disso, a solução eletrolítica é geralmente aquosa. Neste trabalho, sugere-se o uso de eletrodos de cobre, por apresentarem baixo custo além de propriedades térmica e elétrica excelentes que fazem deste metal atrativo para aplicação em células termogalvânicas. Em substituição à solução eletrolítica aquosa, este trabalho propõe a utilização de soluções de líquidos iônicos BMI.BF4, BMI.Cl, C3OMI.NTf2 e C6O2N2H9.NTf2 como solventes e eletrólitos. Os sistemas eletroquímicos estudados empregam quinidrona como par redox e diferentes concentrações de água em solução. Além disso, a diferença de temperatura bem como a distância entre os eletrodos foram variáveis investigadas. A otimização da melhor condição de operação da célula termogalvânica envolveu o ajuste destas variáveis, refletidas nos dados de: potencial de circuito aberto (PCA), curvas de carga/descarga, curvas galvanostáticas, curvas potenciostáticas e curvas potenciodinâmicas. Pode-se constatar que o cobre e as soluções eletrolíticas empregando o BMI.Cl têm potencial aplicação em células termogalvânicas. O aumento da concentração de água nas soluções de BMI.Cl aumentou a condutividade do sistema. Alterando a distância entre os eletrodos de 0,45 mm para 0,95 mm aumentou significativamente a eficiência de conversão energética. A ausência de água em solução permite o trabalho em temperaturas mais altas bem como valores de potencial de PCA mais catódicos. A utilização de LIs com o ânion NTf2 não favoreceu os sistemas. O coeficiente de Seebeck para a solução eletrolítica LI2-QHQ120 apresentou-se acima dos valores já reportados na literatura.

Thermogalvanic cells are thermoelectric converters which consist of two electrodes immersed in an electrolytic solution kept at different temperatures. This temperature difference generates a potential difference that can be used to conduct current through an external circuit. This way, thermal energy is directly converted into electrical energy. The electrodes commonly used in thermogalvanic cells are inert and have high costs. Furthermore, the electrolytic solution is generally aqueous. In this work, one suggests the use of cooper electrodes, by presenting low cost besides its excellent thermal and electric properties that make this metal attractive for application in thermogalvanic cells. Replacing the aqueous electrolytic solutions, this work proposes the use of BMI.BF4, BMI.Cl, C3OMI.NTf2 and C6O2N2H9.NTf2 ionic liquids as solvents and electrolytes. The electrochemical systems employed quinhydrone as redox couple and different concentrations of water in the solution. Beyond that, the temperature difference as well as the distance between the electrodes were variables investigated. The optimization of the best operating condition of the thermogalvanic cell involved adjustment of these variables, reflecting in the following data: open circuit potential (OCP), charge/discharge, galvanostatic, potentiostatic and potentiodynamic curves. One found that cooper and electrolytic solutions using BMI.Cl have potential application in thermogalvanic cells. Increasing the concentration of water in BMI.Cl solutions rises the conductivity of the system. Changing the distance between the electrodes from 0.45 mm to 0.95 mm increased meaningly the power conversion efficiency. The absence of water in the solution allows to the system to operate at higher temperatures as well as more cathodic values of OCP. The use of ionic liquids with NTf2 anion did not favor the systems. The Seebeck coefficient of LI2-QHQ120 electrolytic solution presented values above of the already reported in the literature.