Líquidos iônicos como eletrólitos para reações eletroquímicas

Abstract

Os líquidos iônicos (LIs) como o tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMI.BF4) e o hexafluorofosfato de 1-butil-3-metilimidazólio (BMI.PF6) podem ser utilizados como eletrólitos para diferentes reações eletroquímicas. Este trabalho é centrado sobre seus usos como eletrólitos na geração de hidrogênio pela eletrólise da água, na geração de energia elétrica em células a combustível (mais especificamente em células a hidrogênio), mas também mostra suas aplicações na obtenção de polímeros condutores. A preocupação mundial em relação ao aumento da poluição atmosférica e ao esgotamento dos combustíveis fósseis faz com que novas fontes alternativas de energia limpa sejam pesquisadas. O hidrogênio é um “combustível alternativo”, mas ainda necessita de melhorias na sua síntese e emprego para que sua utilização seja economicamente viável. Este trabalho mostra a utilização de LIs como eletrólitos para a produção de hidrogênio via eletrólise da água. Este novo sistema, que opera à temperatura ambiente, apresenta alta eficiência com eletrodos como o aço carbono (AC), com desempenho superior ao eletrodo de platina (Pt). O hidrogênio produzido pela eletrólise da água é de alta pureza e pode ser utilizado para alimentar células a combustível para a geração de energia elétrica. Os LIs podem ser utilizados como eletrólitos neste sistema de célula a combustível. Os resultados obtidos neste trabalho mostram que uma célula a combustível com líquido iônico tem uma eficiência que pode alcançar 67 %, operando à temperatura ambiente, alimentada com hidrogênio e ar. Outra parte deste trabalho estuda o comportamento eletroquímico de polímeros orgânicos condutores, em meio clássico e meio misto LI/solvente. Estes compostos poderão auxiliar no aumento da eletroatividade dos eletrodos empregados tanto no sistema de eletrólise da água como no de célula a combustível.

Les liquides ioniques (LIs), tetrafluoroborate de 1-butyl-3-méthylimidazole (BMI.BF4) et l’hexafluorophosphate de 1-butyl-3-méthylimidazole (BMI.PF6), sont des composés qui peuvent être utilisés comme électrolytes pour plusieurs réactions électrochimiques. Ce travail montre l’utilisation des LIs comme électrolyte: (i) pour la production d’hydrogène par l’électrolyse de l’eau, (ii) dans une pile à combustible pour gérer une énergie électrique (la pile á hydrogène), et (iii) dans l’étude des comportements électrochimiques de polymères conducteurs à base de fluorènes. Le grand problème de la pollution atmospherique et de l’épuisement des combustibles fossiles oblige la recherche de nouvelles sources d’énergie alternative. L’hydrogène a un grand potential comme « source d’énergie » non polluante. Ce travail présente l’utilisation des liquides ioniques comme électrolytes pour la production d’hydrogène, de haute pureté, obtenu par l’électrolyse de l’eau. Ce système a une grande efficacité à température ambiante et il peut utiliser des électrocatalyseurs alternatifs peu coûteux comme l’acier carbone qui a un comportement équivalent ou supérieur à celui du platine. L’hydrogène produit, de haute pureté, peut alimenter les piles à combustible. Il a été étudié l’utlisation des LIs comme électrolyte d’une pile à combustible commerciale alimentée par de l’hydrogène et de l’air comprimé. Ces études ont montré une éfficacité maximum de 67 % à température ambiante. Une autre partie de la recherche a concerné l’étude du comportement électrochimique de polymères organiques conducteurs en milieu LI ou en milieu mixte LI + solvant organique. Ces études préliminaires montrent que le dopage p de ces matériaux est difficile en milieu LI pur et plus facile en milieu mixte. La réversibilité du dopage p (réduction du polymère dopé p) en milieu LI est faible et s’accompagne de l’entrée du cation de l’électrolyte en lieu et place de la sorties des anions. Différentes méthodes ont été utilisées pour essayer de comprendre tous ces comportements : voltammétrie cyclique, spectroscopie électrochimique d’impédance, microbalance à quartz.

Ionic liquids (ILs), such as 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMI.BF4) and 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BMI.PF6) can be used as electrolytes in several electrochemistry reactions. This work concerns the use of ILs as electrolytes for: (i) hydrogen production by water electrolysis, (ii) energy generation in fuel cells (or, more specifically, hydrogen cells) and (iii) obtaining conductor polymers. The increase in air pollution and the loss of fossil fuel availability are great modern concerns. New alternative energy sources need be found and improved upon. Hydrogen is an “alternative fuel”, but improvements in its synthesis and applications are necessary to achieve its employment in a practical sense. In this work we show that ILs can be used as electrolytes for hydrogen production by water electrolysis. This system works at room temperature, has a high efficiency and can use a low carbon steel (LCS) electrocatalyst with better performance than that platinum (Pt). The hydrogen obtained by water electrolysis has high purity and can be used to perform energy generation in fuel cells. These ILs are also used as electrolytes to fuel cells and their performance is described in this work. The results obtained shows that the ionic liquid fuel cell (ILFC) can attain 67% efficiency, working at room temperature, fed with hydrogen and air.