Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Aguiar, Jéssica de
Orientador(a): Marconcini, José Manoel 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:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16421
Resumo: Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) performs the electrolysis of water to produce hydrogen, a source of clean and renewable energy. The most used commercial electrolyte in PEMWE is the Nafion membrane, a material that is expensive and difficult to recycle. The partial replacement of Nafion with cellulose nanocrystals (CNCs) can produce composite membranes can increased electrical, mechanical and biodegradability properties. In this sense, the objective of this work is to study the elaboration of nanocomposites (Nafion-CNC) aiming at developing high-performance electrolytes for application in PEMWE. In the first stage of the work, the potential of using agro-industrial residues (bagasse and sugarcane straw) to obtain CNCs via enzymatic hydrolysis was evaluated. CNCs obtained from both biomasses showed high crystallinity index (> 70%) and high thermal stability (Tonset > 300 °C). In the second stage, the effects of adding CNCs to Nafion were evaluated. Nafion membranes were produced with two types of CNCs, one obtained by enzymatic hydrolysis and the other by acid hydrolysis (commercial). The addition of both CNCs has similar effects on Nafion’s properties. For samples with both commercial and enzymatic CNC, an increase in the modulus of elasticity (10% and 40% respectively) and maximum stress (10% and 13% respectively) was observed. The two nanocomposites showedlower initial thermal degradation temperatures, however, they still showed sufficient stability (Tonset > 170°C) for application in PEMWE (standard operating temperature <100°C). Furthermore, there was a significant increase in the humidification capacity and increase in conductivity. Composite membranes were tested in PEMWE and their usability was proven.
id SCAR_b6e7dbe6a64c64fa8d9ad7817cee02e8
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16421
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str
spelling Aguiar, Jéssica deMarconcini, José Manoelhttp://lattes.cnpq.br/5373845785326215Mattoso, Luiz Henrique Capparellihttp://lattes.cnpq.br/5839043594908917http://lattes.cnpq.br/5968223558906444ad1dfb4b-c4e0-4bc9-960f-5eb57cd272f42022-07-27T12:29:45Z2022-07-27T12:29:45Z2022-04-20AGUIAR, Jéssica de. Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs). 2022. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16421.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16421Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) performs the electrolysis of water to produce hydrogen, a source of clean and renewable energy. The most used commercial electrolyte in PEMWE is the Nafion membrane, a material that is expensive and difficult to recycle. The partial replacement of Nafion with cellulose nanocrystals (CNCs) can produce composite membranes can increased electrical, mechanical and biodegradability properties. In this sense, the objective of this work is to study the elaboration of nanocomposites (Nafion-CNC) aiming at developing high-performance electrolytes for application in PEMWE. In the first stage of the work, the potential of using agro-industrial residues (bagasse and sugarcane straw) to obtain CNCs via enzymatic hydrolysis was evaluated. CNCs obtained from both biomasses showed high crystallinity index (> 70%) and high thermal stability (Tonset > 300 °C). In the second stage, the effects of adding CNCs to Nafion were evaluated. Nafion membranes were produced with two types of CNCs, one obtained by enzymatic hydrolysis and the other by acid hydrolysis (commercial). The addition of both CNCs has similar effects on Nafion’s properties. For samples with both commercial and enzymatic CNC, an increase in the modulus of elasticity (10% and 40% respectively) and maximum stress (10% and 13% respectively) was observed. The two nanocomposites showedlower initial thermal degradation temperatures, however, they still showed sufficient stability (Tonset > 170°C) for application in PEMWE (standard operating temperature <100°C). Furthermore, there was a significant increase in the humidification capacity and increase in conductivity. Composite membranes were tested in PEMWE and their usability was proven.Células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs) são dispositivos que realizam a eletrólise da água para a produção de hidrogênio. O eletrólito mais empregado em PEMECs é a membrana comercial Nafion, um material de elevado custo e difícil reciclagem. A substituição parcial do Nafion por nanocristais de celulose (CNCs) através da produção de membranas nanocompósitos pode aumentar propriedades elétricas, mecânicas e biodegradabilidade. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é estudar a elaboração de nanocompósitos (Nafion-CNC) visando o desenvolvimento de eletrólitos de alto desempenho (mecânico e elétrico) para aplicação em PEMEC. Na primeira etapa do trabalho foi avaliado o potencial de aproveitamento de resíduos agroindustriais (bagaço e palha de cana-de-açúcar) para a obtenção de CNCs via hidrólise enzimática. Os CNCs obtidos a partir de ambas as biomassas apresentaram elevado índice de cristalinidade (> 70%) e alta estabilidade térmica (Tonset > 300 °C). Na segunda etapa foram avaliados os efeitos da adição de CNCs ao Nafion. Foram produzidas membranas de nafion com dois tipos de CNCs, um obtido por hidrólise enzimática e outro com CNCs comercial, obtidos por hidrólise ácida. A adição de ambos os CNCs acarretam efeitos similares nas propriedades das membranas. Para as amostras tanto com CNC comercial quanto CNC enzimático foi observado aumento no módulo de elasticidade (respectivamente 10% e 40%) e tensão máxima (respectivamente 10% e 13%). Os dois nanocompósitos apresentaram redução na temperatura de início de degradação térmica, contudo ainda apresentaram estabilidade suficiente (Tonset > 170 °C) para aplicação em PEMECs (temperatura padrão de operação <100 °C). Ainda, houve aumento significativo na capacidade de umidificação e elevação da condutividade. Por fim, as membranas nanocompósitos foram testadas em PEMEC obtendo-se uma performance comparável ao apresentado pelas membranas contendo apenas Nafion.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)processo no 88882.332728/2019-01, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Processo 91752074, Serviço Alemão de Intercâmbio Acadêmico (DAAD)porUniversidade 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/openAccessCélulas eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)Nanocristais de celulose (CNCs)NafionBiomassa de cana-de- açúcarHidrólise enzimáticaProton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEMWE)Cellulose Nanocrystals (CNCs)NafionSugarcane biomassEnzymatic hydrolysisENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSDesenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)Development of nafion and cellulose nanocrystals nanocomposite electrolytes for use in proton exchange membrane water electrolysis (PEMWEs)info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600837168ce-7bcb-428f-b56f-2a4440a823eereponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALJéssica de Aguiar - Tese.pdfJéssica de Aguiar - Tese.pdfTeseapplication/pdf7351055https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/38ae2162-8f58-4b74-964e-cc2cc6ed2933/download07e51608aea9ec5aba03bb116066e262MD51trueAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamentoapplication/pdf347573https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/81d6e93d-12e8-4b33-a6bf-8d6d67d76325/downloadeeaf61643e9b5c4dfc0f876debc93a6eMD52falseCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/877c2b08-2b5c-4741-8904-dcec78232cdd/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53falseAnonymousREADTEXTJéssica de Aguiar - Tese.pdf.txtJéssica de Aguiar - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain225796https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/4f0e79c8-d9f4-4155-baa6-8c1ce0f60340/download692001380a4bf5c080889f0ee3452cb3MD54falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain1607https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/de019326-e97f-4b72-890c-4e79174c4668/download76fd77c48a087bc861099a96eb9caf02MD56falseTHUMBNAILJéssica de Aguiar - Tese.pdf.jpgJéssica de Aguiar - Tese.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6815https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/dfe2f9f2-8fff-42d3-8dc8-ef51e160bf8a/download395cc4beb17ddc60a9b88a860bc4c588MD55falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg14068https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/be3af585-2be6-4c52-885d-741da123efdd/download07ac4d16b4a289d68ffe81f53232b31fMD57false20.500.14289/164212025-02-05 21:39:00.836http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16421https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T00:39Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Development of nafion and cellulose nanocrystals nanocomposite electrolytes for use in proton exchange membrane water electrolysis (PEMWEs)
title Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
spellingShingle Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
Aguiar, Jéssica de
Células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
Nanocristais de celulose (CNCs)
Nafion
Biomassa de cana-de- açúcar
Hidrólise enzimática
Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEMWE)
Cellulose Nanocrystals (CNCs)
Nafion
Sugarcane biomass
Enzymatic hydrolysis
ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
title_short Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
title_full Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
title_fullStr Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
title_full_unstemmed Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
title_sort Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
author Aguiar, Jéssica de
author_facet Aguiar, Jéssica de
author_role author
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/5968223558906444
dc.contributor.author.fl_str_mv Aguiar, Jéssica de
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Marconcini, José Manoel
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/5373845785326215
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv Mattoso, Luiz Henrique Capparelli
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/5839043594908917
dc.contributor.authorID.fl_str_mv ad1dfb4b-c4e0-4bc9-960f-5eb57cd272f4
contributor_str_mv Marconcini, José Manoel
Mattoso, Luiz Henrique Capparelli
dc.subject.por.fl_str_mv Células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
Nanocristais de celulose (CNCs)
Nafion
Biomassa de cana-de- açúcar
Hidrólise enzimática
topic Células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
Nanocristais de celulose (CNCs)
Nafion
Biomassa de cana-de- açúcar
Hidrólise enzimática
Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEMWE)
Cellulose Nanocrystals (CNCs)
Nafion
Sugarcane biomass
Enzymatic hydrolysis
ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
dc.subject.eng.fl_str_mv Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEMWE)
Cellulose Nanocrystals (CNCs)
Nafion
Sugarcane biomass
Enzymatic hydrolysis
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
description Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) performs the electrolysis of water to produce hydrogen, a source of clean and renewable energy. The most used commercial electrolyte in PEMWE is the Nafion membrane, a material that is expensive and difficult to recycle. The partial replacement of Nafion with cellulose nanocrystals (CNCs) can produce composite membranes can increased electrical, mechanical and biodegradability properties. In this sense, the objective of this work is to study the elaboration of nanocomposites (Nafion-CNC) aiming at developing high-performance electrolytes for application in PEMWE. In the first stage of the work, the potential of using agro-industrial residues (bagasse and sugarcane straw) to obtain CNCs via enzymatic hydrolysis was evaluated. CNCs obtained from both biomasses showed high crystallinity index (> 70%) and high thermal stability (Tonset > 300 °C). In the second stage, the effects of adding CNCs to Nafion were evaluated. Nafion membranes were produced with two types of CNCs, one obtained by enzymatic hydrolysis and the other by acid hydrolysis (commercial). The addition of both CNCs has similar effects on Nafion’s properties. For samples with both commercial and enzymatic CNC, an increase in the modulus of elasticity (10% and 40% respectively) and maximum stress (10% and 13% respectively) was observed. The two nanocomposites showedlower initial thermal degradation temperatures, however, they still showed sufficient stability (Tonset > 170°C) for application in PEMWE (standard operating temperature <100°C). Furthermore, there was a significant increase in the humidification capacity and increase in conductivity. Composite membranes were tested in PEMWE and their usability was proven.
publishDate 2022
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2022-07-27T12:29:45Z
dc.date.available.fl_str_mv 2022-07-27T12:29:45Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2022-04-20
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv AGUIAR, Jéssica de. Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs). 2022. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16421.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16421
identifier_str_mv AGUIAR, Jéssica de. Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs). 2022. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16421.
url https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16421
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.confidence.fl_str_mv 600
600
dc.relation.authority.fl_str_mv 837168ce-7bcb-428f-b56f-2a4440a823ee
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/38ae2162-8f58-4b74-964e-cc2cc6ed2933/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/81d6e93d-12e8-4b33-a6bf-8d6d67d76325/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/877c2b08-2b5c-4741-8904-dcec78232cdd/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/4f0e79c8-d9f4-4155-baa6-8c1ce0f60340/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/de019326-e97f-4b72-890c-4e79174c4668/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/dfe2f9f2-8fff-42d3-8dc8-ef51e160bf8a/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/be3af585-2be6-4c52-885d-741da123efdd/download
bitstream.checksum.fl_str_mv 07e51608aea9ec5aba03bb116066e262
eeaf61643e9b5c4dfc0f876debc93a6e
e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34
692001380a4bf5c080889f0ee3452cb3
76fd77c48a087bc861099a96eb9caf02
395cc4beb17ddc60a9b88a860bc4c588
07ac4d16b4a289d68ffe81f53232b31f
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv repositorio.sibi@ufscar.br
_version_ 1851688795155464192