Desenvolvimento de eletrólitos nanocompósitos de nafion e nanocristais de celulose para uso em células eletrolíticas com membrana trocadora de prótons (PEMECs)
| Ano de defesa: | 2022 |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
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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. |
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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 |
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