Catalisadores à base de paládio suportados em TiO2 para aplicação em células a combustível a etanol direto

Abstract

Células a combustível a etanol direto (DEFCs) são eficientes dispositivos para a conversão de energia química em energia elétrica. DEFC operam a baixas temperaturas, e um ânodo, um cátodo e um eletrólito são os principais constituintes. Em meio alcalino, eletrocatalisadores, responsáveis pela promoção de reações anódicas e catódicas, geralmente são compostos de paládio (Pd) suportado em carbono. Outros materiais têm sido estudados para tornar a reação de oxidação do etanol (EOR) mais eficiente, como por exemplo TiO2, devido à sua excelente resistência à corrosão quando comparado a outros materiais, como o carbono, aumentando a performance e durabilidade das DEFC. Neste trabalho, o uso do TiO2 comercial como suporte alternativo para catalisadores baseados em Pd aplicado à EOR foi avaliado. Os materiais foram sintetizados a partir do método de impregnação/redução, e a atividade catalítica foi analisada por meio caracterizações estruturais e eletroquímicas. Foram realizadas medidas de difração de raios X, voltametria cíclica e cronoamperometria, com o objetivo de determinar o desempenho frente à EOR. Para o tamanho de cristalito, foram obtidos valores de 17 nm para o eletrocatalisador Pd/C, e 27 nm para Pd/TiO2, e área eletroquimicamente ativa do Pd/TiO2 aproximadamente 10 vezes menor do que do Pd/C. Com relação à atividade catalítica na voltametria cíclica, constatou-se que os catalisadores suportados em TiO2 apresentaram desempenho análogo aos suportes de carbono, apesar de o uso desse suporte possivelmente implicar na formação de mais espécies carbonáceas intermediárias. De acordo com os resultados obtidos, foi concluído que dióxido de titânio comercial pode ser utilizado como suporte em eletrocatalisadores à base de paládio, e que sua aplicação é adequada como material alternativo em células a combustível a etanol direto.

Direct Ethanol Fuel Cells (DEFC) are efficient converters of chemical energy into electrical energy. DEFC operate at low temperatures, and an anode, a cathode and an electrolyte are the main constituents. In alkaline media, electrocatalysts – responsible for promoting anodic and cathodic reactions – are usually composed by palladium supported on carbon. Other materials have been studied to make the ethanol oxidation reaction (EOR) more efficient, such as TiO2, due to its excellent corrosion resistance when compared to other materials such as carbon, increasing the performance and durability of DEFCs. In this work, the use of commercial TiO2 as an alternative support for Pd-based catalysts for EOR was evaluated. The materials were synthesized using the impregnation/reduction method, and the catalytic activity was analyzed through structural and electrochemical characterizations. Measurements of X-ray diffraction, cyclic voltammetry and chronoamperometry were carried out in order to determine the catalyst performance towards the EOR. For the crystallite size, values of 17 nm were obtained for the Pd/C electrocatalyst, and 27 nm for Pd/TiO2, and the electrochemically active surface area of Pd/TiO2 was approximately 10 times smaller than that of Pd/C. Regarding the catalytic activity in cyclic voltammetry, it was found that the catalysts supported on TiO2 presented similar performance to carbon supports, although the use of this support possibly implies the formation of more intermediate carbonaceous species. According to the obtained results, it was concluded that commercial titanium dioxide can be used as support in palladium-based electrocatalysts, and that its application is suitable as an alternative material in direct ethanol fuel cells.