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Materiais Avançados para Aplicações Especiais

O desenvolvimento tecnológico de base científica de novos materiais tem proporcionado o surgimento de materiais muito específicos para aplicações especiais. Uma dessas aplicações inclui a utilização direta de etanol como combustível em pilhas a combustível de óxido sólido, PaCOS. As PaCOS estão entre os geradores de energia elétrica mais eficientes conhecidos até o momento e o uso de um combustível líquido, portanto fácil de armazenar e distribuir, e de fácil disponibilidade, é de grande interesse. Entretanto, o uso de etanol em pilhas a combustível normalmente requer a realização de reforma prévia para produzir hidrogênio, o qual, uma vez purificado, é utilizado como combustível. Isso porque a utilização direta do etanol como combustível numa PaCOS promove a deposição de carbono sólido, como resultado da pirólise do etanol na temperatura elevada de operação da pilha a combustível. O carbono sólido depositado no anodo convencional de uma PaCOS preenche os seus poros, dificultando a passagem do gás combustível, e exerce pressão interna, que acaba ocasionando rapidamente a deterioração completa do anodo e, por conseguinte, da própria pilha a combustível. A Figura 1 exemplifica esse fato para uma PaCOS unitária, com anodo convencional de óxido de níquel em eletrólito de zircônia estabilizada com ítria - ZEI - operada a 950ºC durante 200 horas. Torna-se, assim, impossível a utilização direta do etanol como combustível em uma PaCOS, devido a sua rápida deterioração.

Figura 1
Aspecto macroscópico de PaCOS unitária com anodo convencional de óxido de níquel em eletrólito de zircônia estabilizada com ítria operada durante 200 h com utilização direta de etanol como combustível a 950ºC, à esquerda, onde se observa intensa precipitação de carbono sólido, também visível na micrografia eletrônica de varredura mostrada à direita e identificado por intenso pico de carbono na análise química por espectroscopia de energia dispersiva abaixo.(1)[1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011.. (adaptado de (1)[1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011., com a permissão de Elsevier).

Por isso, foi buscada solução que não requeresse a laboriosa reforma prévia do combustível para produção e purificação do hidrogênio combustível, mas que permitisse a utilização direta do etanol em PaCOS. Testes preliminares foram realizados com sucesso em PaCOS unitária contendo anodo composto de Cu-CeO2-ZEI (2)[2] VENÂNCIO, S. A., GURIERRES, T. F., SARRUF, B. J. M., MIRANDA, P. E. V., "Oxidação direta do etanol no anodo de PaCOS", Matéria, v. 13, n. 3, pp. 560-568, 2008., que não apresentou perda significativa de desempenho após 200 h de operação com a utilização direta de etanol como combustível.

Entretanto, uma inovação nesta área foi criada em 2009 (3)[3] MIRANDA, P.E.V., VENÂNCIO, S.A., MIRANDA, H.V., "Processo para a oxidação direta e/ou a reforma interna do etanol, pilha a combustível de óxido sólido utilizada para a oxidação direta e/ou a reforma interna de etanol, catalisador e anodo eletrocatalisador multifuncional para a oxidação direta e/ou a reforma interna direta do etanol", Patente INPI no. PI0901921-9, 17/06/2009. e posteriormente divulgada na literatura científica (1)[1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011. , (4)[4] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Synthesis of CeAlO3/CeO2-Al2O3 for use as solid oxide fuel cell functional anode material", Ceramics International, v. 37, pp. 3139-3152, 2011., utilizando como novo material para anodo de PaCOS a fase CeAlO3. O desenvolvimento do novo material para anodo de PaCOS permitiu a operação da pilha a combustível a 950ºC durante 200 h com a utilização direta de etanol como combustível sem perda significativa de desempenho e sem deposição de carbono capaz de inativar o dispositivo, conforme mostrado na Figura 2. Neste caso, o eletrocatalisador cerâmico foi sintetizado pelo método do citrato amorfo. As condições de síntese foram projetadas de forma a produzir pós cerâmicos com tamanho nanométrico, para os quais foram selecionadas condições de calcinação de forma a preencher requisitos tais como facilidade de sinterização, formação de fases específicas, controle do tamanho de partículas, da área superficial e da morfologia adequada à produção de suspensões cerâmicas requeridas para a fabricação de anodo funcional para PaCOS. Foi verificado (4)[4] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Synthesis of CeAlO3/CeO2-Al2O3 for use as solid oxide fuel cell functional anode material", Ceramics International, v. 37, pp. 3139-3152, 2011. que a calcinação em atmosfera oxidante induz transformação da fase CeAlO3, com estrutura tetragonal da perovskita, nas fases CeO2, com estrutura da fluorita cúbica e Al2O3. Entretanto, ocorre reversão para CeAlO3 se tal pó cerâmico composto de CeO2 e Al2O3 é calcinado em atmosfera de hidrogênio.

Figura 2
Aspecto macroscópico de PaCOS unitária com anodo funcional de CeAlO3/CeO2-Al2O3 em eletrólito de zircônia estabilizada com ítria operada durante 200 h com utilização direta de etanol como combustível a 950ºC, à esquerda, onde se observa o anodo íntegro e isento de deposição de carbono sólido, como visualizado na micrografia eletrônica de varredura mostrada à direita e caracterizado pela presença de pico de carbono com baixa intensidade na análise química por espectroscopia de energia dispersiva mostrada abaixo.(1)[1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011. (adaptado de (1)[1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011., com a permissão de Elsevier).

Como resultado, a síntese controlada do novo material cerâmico avançado (3)[3] MIRANDA, P.E.V., VENÂNCIO, S.A., MIRANDA, H.V., "Processo para a oxidação direta e/ou a reforma interna do etanol, pilha a combustível de óxido sólido utilizada para a oxidação direta e/ou a reforma interna de etanol, catalisador e anodo eletrocatalisador multifuncional para a oxidação direta e/ou a reforma interna direta do etanol", Patente INPI no. PI0901921-9, 17/06/2009. , (4)[4] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Synthesis of CeAlO3/CeO2-Al2O3 for use as solid oxide fuel cell functional anode material", Ceramics International, v. 37, pp. 3139-3152, 2011. e a sua incorporação em suspensão cerâmica para fabricação de anodo funcional, foi usada com sucesso na aplicação especial que envolve a utilização direta de etanol como combustível em PaCOS com desempenho adequado (1)[1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011.. Isso porque a microestrutura do anodo não foi seriamente afetada pela utilização direta de etanol, mostrando boa estabilidade e resistência à coqueificação, ao entupimento com carbono sólido e ao trincamento.

A revista Matéria é receptiva à publicação de relatos de desenvolvimentos de novos materiais, que abram novas aplicações para dispositivos de engenharia.

  • 1
    [1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011.
  • 2
    [2] VENÂNCIO, S. A., GURIERRES, T. F., SARRUF, B. J. M., MIRANDA, P. E. V., "Oxidação direta do etanol no anodo de PaCOS", Matéria, v. 13, n. 3, pp. 560-568, 2008.
  • 3
    [3] MIRANDA, P.E.V., VENÂNCIO, S.A., MIRANDA, H.V., "Processo para a oxidação direta e/ou a reforma interna do etanol, pilha a combustível de óxido sólido utilizada para a oxidação direta e/ou a reforma interna de etanol, catalisador e anodo eletrocatalisador multifuncional para a oxidação direta e/ou a reforma interna direta do etanol", Patente INPI no. PI0901921-9, 17/06/2009.
  • 4
    [4] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Synthesis of CeAlO3/CeO2-Al2O3 for use as solid oxide fuel cell functional anode material", Ceramics International, v. 37, pp. 3139-3152, 2011.

Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    Jun 2015
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