Biogeneratori de energie: Proiectare de noi electrocatalizatori pentru PEMFC (celule de combustie) pe bază de bioetanol cu aplicații pentru echipamente portabile (ERGBIOGEN)

DATE GENERALE

Titlul proiectului: Biogeneratori de energie: Proiectare de noi electrocatalizatori pentru PEMFC (celule de combustie) pe baza de bioetanol cu aplicatii pentru echipamente portabile

Acronimul: ERGBIOGEN

Programul: PNCDI II – Parteneriate în domenii prioritare

Codul proiectului: PN-II-PT-PCCA-2013-4-1758

Contract de finanţare: 56/2014

Sursa de finanţare: Bugetul de stat şi contribuţie financiară proprie

Valoarea totală a contractului: 1.437.500 lei

  • Sursa 1 – de la bugetul de stat: 250.000 lei
  • Sursa 2 – contribuţie financiară proprie: 187.500 lei

Durata proiectului: 30 luni

Perioada de derulare a proiectului: 01.07.2014 – 30.09.2017

Contractor: Universitatea din Bucureşti

Director proiect: Dr.Mihaela FLOREA, e-mail: mihaela.florea@chimie.unibuc.ro

 

PARTENERI

Coordonator proiect

Universitatea din Bucureşti

Director proiect – Dr.Mihaela FLOREA, e-mail: mihaela.florea@chimie.unibuc.ro

Partener P1:

Institutul de Chimie Fizică „Ilie Murgulescu” al Academiei Române

Responsabil de proiect – Dr. Simona ŞOMĂCESCU; ssimona@icf.ro

Partener P2:

Ministerul Apărării Naţionale prin  Centrul de Cercetare Ştiinţifică pentru Apărare CBRN şi Ecologie

Responsabil de proiect – Dr.chim. Nicoleta PETREA; nicoleta.petrea@yahoo.com

Partener P3:

SC STIMPEX SA

Responsabil de proiect – Dr. ing.Vasile Şomoghi; v_somoghi@yahoo.com

 

DESCRIEREA PROIECTULUI

Scopul proiectului a fost dezvoltarea unui sistem inovativ de energie de tip micro-celule de combustie, alimentat cu bioetanol, care să funcţioneze la temperatură scăzută, în domeniul de putere electrică 0.001-100 W şi să fie utilizat în dispozitive electrice portabile: laptop-uri, telefoane mobile, dispozitive militare de radio/comunicare etc.

Noutăţi introduse de proiect:

– proiectarea electrozilor, atât prin metode convenţionale, dar şi metode inovative, cum ar fi utilizarea surfactanţilor ionici şi neionici ca agenţi de modelare (pentru a obţine structura poroasă dorită şi pentru a scădea dimensiunea particulei, pentru îmbunătăţirea performanţelor PEMFC) sau metode de sinteză a anozilor cu microunde.

– natura electrozilor care vor fi utilizaţi în acest scop.

– compoziţia chimică a anozilor, prin utilizarea metalelor nenobile suportate pe carbon şi materiale oxidice.

Ca şi combustibil alternativ, etanolul, care poate fi produs pe scară largă din stocurile de biomasă de provenienţă agricolă (bioetanol de primă generaţie), din silvicultură şi reziduurile urbane (a doua generaţie de bioetanol), atrage un interes în creştere, pilele de combustie care lucrează cu etanol la temperatură scăzută, fiind considerate în viitor, posibile surse de energie pentru automobile şi dispozitivele electronice portabile.

Comparativ cu un alt combustibil comun (metanolul), etanolul este preferat datorită următoarelor proprietăţi: nu este toxic; prezintă punct de fierbere mai ridicat; se poate regenera; prezintă o energie specifică ridicată de 8.01 kWh/kg, comparabilă cu cea a benzinei.

Obiectivele proiectului au constat în:

– dezvoltarea unui electrocatalizator adecvat, pe bază de metale non-nobile, care să prezinte un cost scăzut şi să ofere activitate ridicată, stabilitate bună şi selectivitate ridicată pentru oxidarea anodică a bioetanolului, într-o sursă de putere pe bază de micro-celulă de combustie;

– studiul reacţiilor electrochimice şi evaluarea performanţei anozilor în oxidarea electrocatalitică a bioetanolului;

– valorizarea resurselor bio, prin utilizarea de bioetanol, care reprezintă la acest moment combustibilul cel mai răspândit obţinut din biomasă;

– realizarea unui ansamblu anod/membrană polimerică, care să poată opera direct cu bioetanol şi monitorizarea continuă a compoziţiei anodului, nu doar la nivelului de contaminare cu monoxid de carbon, dar şi a stoichiometriei suprafeţei;

– proiectarea, realizarea şi testarea unui model experimental de celulă de combustie care să funcţioneze pe bază de bioetanol.

REZULTATE PRECONIZATE

  • Obţinerea de anozi pe bază de metale tranziţionale depuse pe suporţi oxidici sau încorporate în timpul sintezei, prin impregnare umedă şi uscată şi alte metode neconvenţionale.
  • Dezvoltarea de  noi metode de sinteză utilizând chimia preparării în prezenţa unui surfactant şi tratarea hidrotermală pentru a obţine o arhitectură mezoporoasă alcătuită din nanoparticule uniforme.
  • Monitorizarea continuă a compoziţiei anodului, a nivelului de contaminare cu monoxid de carbon, dar şi a stoichiometriei suprafeţei comparată cu stoichiometria nominală din volum.
  • Caracterizarea integrală a materialelor obţinute şi studiul dezactivării (stabilirii gradului de dezactivare a anozilor de tip Me depus pe suport oxidic).
  • Dezvoltare ansambluri anod/ membrană polimerică de tip NAFION cu materialele

RAPOARTE DE ACTIVITATE

Etapa 1 – Proiectarea şi sinteza de anozi prin metode convenţionale

Perioada de derulare: 01.07 – 30.12.2014

Conform planul de realizare a proiectului, în cadrul etapei 1 s-au desfăşurat următoarele activităţi de cercetare:

1.1. Depunerea prin impregnare umedă  a metalelor nonplatinice  pe suport de carbon;

1.2. Prepararea suporturilor oxidice apelând la chimia preparativă asistată de surfactanţi asociată cu tratamentul hidrotermal;

1.3. Depunerea metalelor nonplatinice  prin impregnare umedă pe suporturile oxidice;

1.4. Prepararea anozilor prin încorporarea dopanţilor nonplatinici în suporţi, prin sinteză directă apelând la chimia preparativă asistată de surfactanţi asociată cu tratamentul hidrotermal.

Etapa 2 – Dezvoltare metode de obţinere a anozilor promotaţi cu metale nobile, investigaţii structurale, texturale şi evaluare electrocatalitică folosind bioetanol ca şi combustibil

Perioada de derulare: 01.01 – 30.12.2015

Conform planul de realizare a proiectului, în cadrul etapei 2 s-au desfăşurat următoarele activităţi de cercetare:

2.1. Depunerea prin impregnare umedă a metalelor nonplatinice (Co) pe suport de carbon;

2.2. Depunerea metalelor nonplatinice (Co) pe suporturile oxidice (ZrO2) prin impregnare umedă;

2.3. Depunerea metalelor nonplatinice (Ni) prin impregnare umedă pe suporturile oxidice (ZrO2);

2.4. Prepararea anozilor prin incorporarea dopanţilor Co în matrici de SnO2, ZrO2 prin sinteză directă apelând la chimia preparativă asistată de surfactanţi asociată cu tratamentul hidrotermal;

2.5. Depunerea nanoparticulelor pe suport pe bază de carbon şi suporţi oxidici SnO2, ZrO2;

2.6. Evaluarea proprietăţilor electrocatalitice ale materialelor sintetizate în etapa 1 în reacţii de electrooxidare a bioetanolului;

2.7. Investigarea chimiei suprafeţei prin spectroscopie de fotoelectroni înainte de reacţiile electrocatalitice folosind bioetanolul ca şi combustibil;

2.8. Evaluarea proprietăţilor texturale şi structurale ale anozilor sintetizaţi;

2.9. Prepararea suporturilor oxidice apelând la chimia preparativă asistată de surfactanţi asociată cu tratamentul hidrotermal (WO3).

Etapa 3 – Testarea anozilor şi optimizarea sistemelor deja preparate

Perioada de derulare: 01.01 – 30.12.2016

Conform planului de realizare a proiectului, în cadrul etapei 3 s-au desfăşurat următoarele activităţi de cercetare:

3.1. Depunerea metalelor nonplatinice (Co) pe suporturile oxidice (WO3) prin impregnare umedă;

3.2. Depunerea metalelor nonplatinice (Ni) prin impregnare umedă pe suporturile oxidice (WO3);

3.3. Sinteza prin metode neconvenţionale (poliol) a nanoparticulelor de metale nobile de tip Pt-Ag;

3.4. Prepararea anozilor prin încorporarea dopanţilor Co în matrici de WO3, prin sinteza directă apelând la chimia preparativă asistată de surfactanţi asociată cu tratamentul hidrotermal;

3.5. Evaluarea proprietăţilor electrocatalitice ale materialelor sintetizate în etapa 2 în reacţii de electrooxidare a bioetanolului;

3.6. Dezvoltare ansambluri anod/ membrană polimerică de tip NAFION cu materialele sintetizate (materiale pe bază de suporţi oxidici);

3.7. Investigarea modificărilor structurale şi texturale a anozilor pe bază de SnO2 după procesele electrocatalitice de oxidare a bioetanolului;

3.8. Investigarea chimiei suprafeţei anozilor pe bază de ZrO2 după procesele electrocatalitce, prin tehnici spectroscopice;

3.9. Diseminarea rezultatelor.

Etapa 4 – Optimizarea sistemelor deja preparate

Perioada de derulare: 01.01 – 30.09.2017

Conform planului de realizare a proiectului, în cadrul etapei 4 au fost prevăzute următoarele activităţi de cercetare:

4.1. Prepararea anozilor prin încorporarea dopanţilor de Co în matrici de WO3 etc., prin sinteză directă, apelând la chimia preparativă asistată de surfactanţi asociată cu tratamentul hidrotermal;

4.2. Investigarea chimiei suprafeţei prin spectroscopie de fotoelectroni (XPS) după reacţiile electrocatalitice din etapa 2, folosind bioetanolul drept combustibil;

4.3. Investigarea modificărilor structurale şi texturale a anozilor pe bază de ZrO2;

4.4. Investigarea chimiei suprafeţei anozilor pe bază de WO3 prin tehnici spectroscopice;

4.5. Studiul dezactivării (stabilirii gradului de dezactivare a anozilor de tip Me depus pe suport oxidic);

4.6. Dezvoltare ansambluri anod/membrană polimerică de tip NAFION cu materialele pe bază de suporţi oxidici;

4.7. Diseminare finală.

Figura 1. Reprezentarea schematică a unei celule de combustie cu membrană polimerică.

Figura 2. a) Voltagramele ciclice ale catalizatorului Ni/SnO2 în diverse concentraţii (1, 5 şi 15%Ni); b) Voltagramele ciclice consecutive înregistrate pentru catalizatorul 5%Ni/SnO2;         c) Voltagramele ciclice pentru catalizatorul 5%Ni/SnO2 înregistrate la diferite viteze de scanare (10, 25, 50, 75, 100, 150, 250, 300, 400 şi 500 mV/s); d) Voltagramele ciclice înregistrate pentru catalizatorul 5%Ni/SnO2 la diverşi timpi de depunere pe electrodul sticlos de carbon;                 e) EIS* ale materialelor Ni/SnO2; f) EIS* ale catalizatorului 5 %Ni/SnO2 la diferite potenţiale.

*EIS = spectroscopie de impedanţă electrochimică.

Figura 3. Etapele de realizare a ansamblurilor electrod-membrană polimerică.