Hidrogenação eletroquímica em metais: caracterização eletroquímica e metalúrgica da formação de hidretos de Pd e Nb

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Bedoch, Audrey Marie
Orientador(a): Zepon, Guilherme lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
CCC
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21326
Resumo: Climate change requires a transition in the ways energy is produced and consumed. Metal hydrides (MH) can play important roles in this transition, acting as low-carbon hydrogen storage in the solid state or as energy storage in Ni-MH batteries powered by renewable sources. In this case, MHs are formed by the reaction between metal and hydrogen generated by water electrolysis in an alkaline electrolyte. The electrochemical hydrogenation of metals is a complex issue, involving phenomena described by different areas of knowledge such as electrochemistry, thermodynamics, and physical metallurgy. In this thesis, the electrochemical hydrogenation of two metals is investigated through this multidisciplinary approach. Initially, the electrochemical hydrogenation of Pd was studied, considered a model system due to its noble nature and its ability to absorb hydrogen, forming the hydride PdH0.6, which has the same crystal structure as Pd (FCC). Through the study of this model system, the concepts of reaction kinetics involved in the hydrogen evolution reaction (HER) were related to the thermodynamics and kinetics of hydrogen absorption by Pd and the formation of PdH0.6. Next, the electrochemical hydrogenation of metals was investigated in a more complex system, using the metal Nb. Nb is a body-centered cubic metal capable of absorbing hydrogen by forming two hydrides (β-NbHx orthorhombic and δ-NbH2 FCC). In addition to the formation of hydrides with different crystal structures, Nb also tends to form oxides on its surface. For Nb, the HER, thermodynamics, phase transformation mechanisms, and the impact of oxides on electrochemical hydrogenation and dehydrogenation were studied. The thickness of the Nb oxide layer increases under anodic potentials but has a limited impact on hydrogen desorption. The irreversible absorption is primarily linked to the displacive formation of the δ phase.
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In this case, MHs are formed by the reaction between metal and hydrogen generated by water electrolysis in an alkaline electrolyte. The electrochemical hydrogenation of metals is a complex issue, involving phenomena described by different areas of knowledge such as electrochemistry, thermodynamics, and physical metallurgy. In this thesis, the electrochemical hydrogenation of two metals is investigated through this multidisciplinary approach. Initially, the electrochemical hydrogenation of Pd was studied, considered a model system due to its noble nature and its ability to absorb hydrogen, forming the hydride PdH0.6, which has the same crystal structure as Pd (FCC). Through the study of this model system, the concepts of reaction kinetics involved in the hydrogen evolution reaction (HER) were related to the thermodynamics and kinetics of hydrogen absorption by Pd and the formation of PdH0.6. Next, the electrochemical hydrogenation of metals was investigated in a more complex system, using the metal Nb. Nb is a body-centered cubic metal capable of absorbing hydrogen by forming two hydrides (β-NbHx orthorhombic and δ-NbH2 FCC). In addition to the formation of hydrides with different crystal structures, Nb also tends to form oxides on its surface. For Nb, the HER, thermodynamics, phase transformation mechanisms, and the impact of oxides on electrochemical hydrogenation and dehydrogenation were studied. The thickness of the Nb oxide layer increases under anodic potentials but has a limited impact on hydrogen desorption. The irreversible absorption is primarily linked to the displacive formation of the δ phase.As mudanças climáticas demandam uma transição nas formas de produção e consumo de energia. Hidretos metálicos (MH) podem desempenhar papéis importantes nessa transição, atuando como armazenadores de hidrogênio de baixa emissão de carbono no estado sólido, ou como armazenadores de energia elétrica provenientes de fontes renováveis em baterias Ni-MH. Neste caso, os MH formam-se pela reação entre o metal e o hidrogênio gerado pela eletrólise da água em eletrólito alcalino. A hidrogenação eletroquímica de metais é um problema complexo, envolvendo fenômenos descritos por diferentes áreas do conhecimento tais como eletroquímica, termodinâmica e metalurgia física. Nesta tese, a hidrogenação eletroquímica de dois metais é investigada através deste olhar multidisciplinar. Inicialmente, foi investigado a hidrogenação eletroquímica do Pd que é considerado um sistema modelo devido seu caráter nobre e sua capacidade de absorver hidrogênio formando o hidreto PdH0,6 que possui a mesma estrutura cristalina do Pd (CFC). Através do estudo deste sistema modelo, relacionou-se os conceitos de cinética de reações envolvidas na reação de evolução de hidrogênio (HER) com a termodinâmica e cinética de absorção de H pelo Pd e da formação do PdH0,6. Em seguida, a hidrogenação eletroquímica dos metais foi investigada em um sistema mais complexo, utilizando o metal Nb. O Nb é um metal cúbico de corpo centrado que é capaz de absorver hidrogênio pela formação de dois hidretos (β-NbHx ortorrômbico e δ-NbH2 CFC). Além da formação de hidretos com diferentes estruturas cristalinas, o Nb também tende a formar óxidos em sua superfície. Para o Nb, estudaram-se a HER, a termodinâmica, os mecanismos de transformação de fase e o impacto dos óxidos na hidrogenação e desidrogenação eletroquímica. A espessura da camada de óxido de Nb aumenta sob potenciais anódicos, mas tem impacto limitado na dessorção de hidrogênio. A absorção irreversível está ligada principalmente à formação displaciva da fase δ.OutraConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Processo n° 140179/2021-6, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Processo (Serra-1709-17362), FUNARBE - Instituto SerrapilheiraporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessArmazenagem eletroquímica de hidrogênioPaládioNióbioCCCHidretos de NbBaterias Ni-MHENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICAHidrogenação eletroquímica em metais: caracterização eletroquímica e metalúrgica da formação de hidretos de Pd e NbEletrochemical hydrogenation in metals: electrochemical and metallurgical characterization of Pd and Nb hydride formationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTAudrey Marie Bedoch - Tese.pdf.txtAudrey Marie Bedoch - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain105070https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5e14cf53-b981-4c29-9de5-bc9fadcbda0b/downloadb35f858a309c49c1b53c4c9b542ed31fMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILAudrey Marie Bedoch - Tese.pdf.jpgAudrey Marie Bedoch - Tese.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3879https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5f01a9c6-65c7-4682-9695-d83da85fe3ec/download9ea54e99c977e5180b19a187d295033aMD54falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ab9854d4-e822-40fd-a247-380754b27fcc/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREADORIGINALAudrey Marie Bedoch - Tese.pdfAudrey Marie Bedoch - Tese.pdfapplication/pdf13697693https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2a6331f9-07d9-471e-a899-b726fb8ad302/download6285d12ac22ce07eee6c8b8b66e260f1MD51trueAnonymousREAD20.500.14289/213262025-02-06 05:22:55.518http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/21326https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T08:22:55Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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