Membrana de Poli (benzimidazol) com rede metalorgânica MIL-101 (Cr) para aplicação em célula a combustível.
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Data
2024
Autores
Galvão, Douglas Felipe
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Resumo
Para atender à crescente demanda de energia elétrica tem-se utilizado principalmente os combustíveis derivados de petróleo. À medida que a disponibilidade deste insumo está diminuindo, a utilização de energias renováveis parece ser um caminho a seguir como alternativa. O desenvolvimento de novos materiais e dispositivos para a geração de energia por meio de energias renováveis, como as células a combustível de membrana trocadora de próton (PEMFC), ganha relevância. De forma geral, as PEMFCs que utilizam gás hidrogênio como combustível, geram energia emitindo como subproduto água e calor. Grande parte dos desafios da tecnologia podem ser minimizados com a utilização das PEMFCs em temperaturas mais altas, pois há maior tolerância ao envenenamento do catalisador de platina por monóxido de carbono e a possibilidade de utilização de fontes de H 2 reformado de hidrocarbonetos (metano, por exemplo). As membranas de poli (benzimidazol) (PBI) dopadas com ácido fosfórico permitem a operação da PEMFC em temperaturas elevadas (100-180 °C), havendo ainda a possibilidade de melhoria das características do PBI com a adição de compósitos à matriz polimérica. Nesse sentido, estruturas que têm ganhado relevância são as redes metalorgânicas (MOFs). As características das MOFs que têm gerado interesse estão relacionadas com a elevada área de superfície, a abundância dos locais ativos e a estabilidade térmica. A presente pesquisa teve como objetivo avaliar os efeitos da aplicação do copoli (estireno/divinil-benzeno) e da MOF MIL-101 (Cr) à matriz de membrana polimérica trocadora de prótons de PBI, utilizada como eletrólito em célula a combustível. Para isso foram preparadas membranas de PBI, com ou sem a adição do copoli (estireno/divinil-benzeno), e a MOF MIL-101 (Cr), com diferentes proporções (1, 2, 3, 5 e 10%), avaliando-se as características das membranas produzidas. As membranas confeccionadas apresentaram homogeneidade e boa maleabilidade, absorção máxima de água de 7,9±0,6% para a amostra com 1% da MOF MIL-101 (Cr) e o ângulo de contato em graus diminuiu com a adição da MOF de 83, para o PBI puro, para 62 na membrana de PBI com o copolímero e 10% de MOF. O valor máximo de absorção de PA foi de 69±8% para a membrana de PBI com 10% de MOF e de ADL foi de 2,2, para a mesma membrana, mesmo valor determinado para a membrana de PBI puro. A análise termogravimétrica demonstrou que, mesmo com a adição do copoli (estireno/divinil-benzeno) e da MOF MIL-101 ao polímero PBI, as membranas mantiveram boa estabilidade térmica. A condutividade de prótons das membranas produzidas aumentou com a elevação da temperatura (de 40 a 160 °C) e, para a membrana com 10% de MOF, a condutividade foi maior que para a membrana de PBI puro, exceto na temperatura de 120 °C. Para as membranas produzidas com PBI e o copolímero, a adição da MOF parece auxiliar no aumento da condutividade. Todas as amostras, excetuando-se a com 2% da MOF, apresentaram maior condutividade que a membrana de PBI com o copolímero e sem a MOF. Nos testes em uma célula de bancada, a amostra de PBI com 3% de MOF apresentou valor maior de condutividade que a de PBI comercial (1,27 x 10 -3 e 8,0 x 10 -4 S cm -2 , respectivamente), tendo a amostra de PBI com 1% de MOF exibido o valor mais baixo de condutividade (3,3x 10 -4 S cm -2 ). Os valores de OCP encontrados foram de 0,93 V, 0,71 V e 0,63 V, para as membranas com 3% de MOF, 1% de MOF e com o copolímero e 3% de MOF, respectivamente. Os resultados obtidos demonstram que as membranas produzidas têm boas possibilidades de uso em PEMFCs.
Abstract
Descrição
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação Interdisciplinar em Energia e Sustentabilidade da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Mestra em Energia e Sustentabilidade.
Palavras-chave
PEMFC, poli (benzimidazol), MOF, copolímero