Produção de estruturas porosas contendo nanopartículas de prata e silício por Melt Spinning

Abstract

No presente trabalho estudou-se uma nova rota para obter nanopartículas de prata e silício aleatoriamente dispersas em uma matriz nanoporosa de nanotubos de óxido de alumínio sobre alumínio. Além disso, estudou-se a aplicação deste novo material como ânodo em células a combustível alcalinas com etanol como combustível, usando a prata como catalisador na eletroxidação do etanol e da produção de H2. O processo proposto consiste na solidificação rápida mediante melt spinner de uma liga de alumínio-prata rica em alumínio (95.25% em peso de alumínio) para obter uma solução sólida supersaturada. Posteriormente foi feita uma anodização porosa em ácido oxálico e estudo eletroquímico em meio alcalino por meia hora. A morfologia da liga obtida foi caracterizada por Microscopia Eletrônica de Varredura, Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de Transmissão equipado com Espectrometria de Raios X Dispersiva em Energia e avaliado o desempenho como ânodo mediante ensaios de voltametria cíclica Os resultados obtidos confirmam que o desenvolvimento de um novo processo para produzir nanopartículas cristalinas de prata com um tamanho que varia de 4 a 120 nm, com 95% delas entre 4 e 87 nm. A partir dos estudos eletroquímicos concluiu-se que a liga de Al-Ag produzida exibe um comportamento semelhante ao alumínio puro em NaOH 0.1 M e NaOH 0.1 M com 1 M de etanol. A reação entre o alumínio e o meio alcalino produz uma camada de hidrogênio que impede que a prata catalise a eletroxidação do etanol. Portanto, conclui-se que a liga de alumínio-prata produzida não é um material viável como ânodo em células a combustível alcalinas de etanol direto. Portanto, foi avaliado o método de produção de nanopartículas para uma liga Al-Si eutética (14.2% em peso). Esta liga com nanopartículas de silício apresentou um incremento no desempenho na produção de H2 de 17% comparado à liga Al-Si eutética sem o tratamento térmico.

In the present work a new route to obtain silver nanoparticles randomly dispersed in a porous Al2O3 nanotube matrix layer on aluminum was studied. Moreover, the use as an anode in alkaline fuel cells (AFC) with ethanol as combustible was studied, using the prepared surfaces as a catalyzer for the electrooxidation of ethanol. The developed process consists of the rapid solidification (quenching) through melt spinning of an aluminum-silver alloy (92.25 %wt. Al) to obtain a supersaturated solid solution, followed by a porous anodization in oxalic acid and electrochemical treatment in alkaline medium. The morphology of the alloy was characterized by Scanning Electron Microscopy, X-Ray Diffraction, Transmission Electron Microscopy and Energy Dispersive X. Ray Spectrometry and the performance of the ethanol electrooxidation was tested though cyclic voltammetry The obtained results confirm that this process produces crystalline silver nanoparticles with a size varying from 4 to 120 nm with 95% of the particles between 4 and 87 nm. The electrochemical study showed that the produced alloy exhibits a similar behavior to that of pure aluminum in the tested mediums. The reaction between the aluminum and the alkaline medium produces a gaseous hydrogen layer that impedes the catalytic action of silver on the ethanol oxidation. Moreover, it was concluded that the produced alloy is not a viable material for the use as anode for direct ethanol AFCs. Therefore, the nanoparticle production method was tested for an Al-Si near-eutectic alloy (14.2 %wt.). This alloy with silicon nanoparticles showed an increase in the performance of H2 production rate of 17% compared to that of the regular Al-Si near-eutectic alloy.