Fritz Cavalcante Huguenin.

A preocupação com a escassez de água para consumo humano impulsiona estratégias eficazes de dessalinização da água do mar, contribuindo, portanto, para o desenvolvimento de sistemas com baixo impacto ambiental e baixo custo energético. Propõe-se, nesse projeto, um sistema eletroquímico fotoassistido para dessalinização sob fluxo contínuo. O princípio de funcionamento desse dispositivo, alimentado por energia solar e elétrica, envolve: (1) reação de desprendimento de oxigênio (OER) fotoassistida; (2) reação de desprendimento de hidrogênio (HER); (3) migração seletiva de espécies iônicas em membranas trocadoras de ânions e cátions; e (4) canais de circulação de água do mar e de captação de água de baixa salinidade. Essas reações faradaicas promovem desequilíbrio de cargas em solução e geram fluxos iônicos em direção a soluções salinas mais concentradas, de acordo com o princípio de eletroneutralidade. Heteroestruturas de dicalcogênios de molibdênio, cobalto e nióbio serão sintetizadas e investigadas como catalisadores para a HER. Eletrodos à base de hematita e cocatalisadores serão utilizados para a OER. Suas atividades catalíticas serão investigadas a partir de técnicas e modelos no domínio de tempo e frequência, e relacionadas com suas estruturas, morfologias e composições. A proposição de mecanismos reacionais e simulação eletroquímica permitirão a determinação de parâmetros físico-químicos. Quanto às membranas trocadoras de íons, serão investigados o número de transporte aniônico e catiônico e a condutividade, e correlacionados à sua composição e à sua porosidade. Por fim, esses dispositivos serão construídos e o consumo de energia e a eficiência de dessalinização serão avaliados, como prova de conceito.

projeto 2017/11986-5 FAPESP/Shell, 20232028

Este projeto descreve o desenvolvimento de uma máquina capaz de capturar energia não-aproveitada de reações de neutralização sob incidência de luz solar quando operada entre um reservatório ácido e outro básico. Uma parte do trabalho elétrico realizado pelas máquinas ácido-base foto-assistidas está associada à variação de entropia promovida pela variação de pH e da concentração de íons de metal alcalino das soluções eletrolíticas à temperatura e pressão constantes. Outra parte do trabalho realizado se deve à conversão de energia solar em energia elétrica a partir da foto-oxidação da água. O processo de neutralização e captura de energia dessas soluções eletrolíticas pode ser realizada com o uso de matrizes hospedeiras, fotoânodos para conversão de energia solar e eletrocatalisadores para a reação de redução de oxigênio. Diferentemente de outras fontes de energia, as máquinas ácido-base foto-assistidas contribuem para o desenvolvimento sustentável, uma vez que energia pode ser capturada a partir do tratamento de efluentes ácidos. O uso de matrizes hospedeiras seletivas a íons de metal alcalino e ânions também permitirá a remoção de sais de água salobra e marítima. Os processos eletroquímicos envolvidos nesses dessalinizadores, como nas máquinas ácido-base, serão investigados a partir de técnicas e modelos no domínio de tempo e frequência, como também no estado de equilíbrio e em regimes fora do equilíbrio e estacionários.

O projeto "Geração e Armazenamento de Novas Energias: trazendo desenvolvimento tecnológico para o país" engloba as atividades de pesquisa e extensão de três programas da fase 2 do CINE de 2023 a 2028: Geração de Energia (Energy Generation, EG), Armazenamento Avançado de Energia (Advanced Energy Storage, AES) e Geração de Hidrogênio Verde (Green Hydrogen, GH2). O projeto se enquadra na missão do CINE que é o desenvolvimento de tecnologias nacionais na área de novas energias, focando no ambiente de transição energética pela qual o país atravessa, com o comprometimento de uma economia com baixas emissões de carbono. Todos os projetos têm seus objetivos o olhar cuidadoso na matriz elétrica do país, que atualmente é 83 renovável. O avanço principalmente na expansão da energia fotovoltaica que recentemente ultrapassou a energia eólica e ambas deverão assumir o protagonismo na geração elétrica limpa no mundo em 10-15 anos, o que justifica a criação do programa EG. O programa GH2 traz ao CINE a pauta da geração do hidrogênio verde que se tornou um dos principais vetores de transporte de energia nos próximos 10-15 anos. Mobilidade elétrica e armazenamento de energia estacionário são pautas do programa AES trazidas pelas recentes discussões de como o Brasil e o mundo irão lidar com o transporte de cargas e passageiros, bem como incorporar maior participação da energia eólica e fotovoltaica na rede elétrica. Todos os programas abrangem estudos fundamentais das tecnologias a serem abordadas com enfoque em caracterizações in situ e in operando utilizando técnicas avançadas (como é o caso de estudos que já vem sendo realizados em colaboração com o Sirius em Campinas e outros laboratórios que utilizam a radiação síncrotron). Também estão previstos o desenvolvimento e aprimoramento de materiais funcionais, como catalisadores, fotocatalisadores, membranas, substratos de suporte, etc., com foco em diminuição de custo, uso de insumos e produções locais, diminuição da utilização de metais raros e ampliação do uso de carbono e derivados, aumento de eficiência de geração e estabilidade. A ampliação das tecnologias para escala de protótipo será executada em vários projetos como é o caso das células solares de perovskita, eletrolisadores PEM, células fotoeletroquímicas, bateriais e supercapacitores. Parte desse upscalling já se iniciou na fase 1 do CINE e deve ser impulsionado mais fortemente na fase 2. Isso permitirá que muitos projetos que se encontram ao nível de meta tecnológica TRL 3 passem para nível TRL 4 ou 5 nos próximos anos. (AU)

Este projeto envolve o desenvolvimento de uma máquina capaz de realizar trabalho quando operada entre um reservatório ácido e outro básico, em duas etapas tamponadas e duas outras isotérmicas com fronteiras permeáveis à matéria. O armazenamento de energia ou trabalho elétrico realizado a partir das baterias de neutralização estão associados à variação de entropia promovida pela variação de pH das soluções eletrolíticas à temperatura e pressão constantes. O processo de neutralização de soluções ácidas pode ser realizada com o uso de eletrodos de intercalação, propiciando o aumento de entropia e, consequentemente, a diminuição de energia livre. Diferentemente de outras fontes de energia, até mesmo como as de baixo impacto ambiental, as baterias de neutralização contribuem para o desenvolvimento sustentável, visto que trabalho elétrico pode ser obtido a partir do tratamento de efluentes ácidos. Uma prática que pode ser lucrativa para a indústria e, ao mesmo tempo, contribui para a preservação ambiental.

Este projeto envolve estudos direcionados às baterias de mistura entrópica de íons sódio, visando à geração de energia elétrica a partir do aumento de entropia gerado pela adição de sais em solventes orgânicos ou em meio aquoso. Considerando a extensa costa brasileira e ao volume de água fluvial, o Brasil possui um grande reservatório de energia química nos mares e em rios, que pode ser convertida em energia elétrica com alta eficiência. A troca de soluções com diferentes concentrações de NaCl pode ser realizada com o uso de eletrodos de intercalação, propiciando o aumento de entropia e, consequentemente, a diminuição de energia livre. Esta tecnologia pode também ser explorada nos rejeitos orgânicos e aquosos das indústrias e subestações de esgoto, contribuindo para o crescimento sustentável, uma vez que o tratamento de efluentes pode se tornar economicamente vantajoso. 
	Eletrodos à base de policianometalatos, com propriedades de armazenamento de íons sódio em meio orgânico e aquoso, serão sintetizados e investigados, visando a sua utilização como eletrodo positivo em baterias de mistura entrópica para aumentar a capacidade de armazenamento de carga de íons sódio, velocidade de intercalação e estabilidade em diferentes ambientes químicos. Os materiais serão investigados a partir de técnicas eletroquímicas, simulação eletroquímica, espectrometria de massas com fonte de plasma indutivamente acoplado, difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura.

O aumento no consumo energético e a preocupação quanto à emissão de gases poluentes criam um grande apelo para pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de novas fontes de energia não-poluentes de alta energia, como as baterias de lítio-ar. A densidade de energia teórica destes dispositivos é cinco a dez vezes maior (13 kW.h.kg-1) do que as fontes eletroquímicas de energia comercializadas. No entanto, estes valores ainda não correspondem aos determinados experimentalmente. Assim, um maior entendimento dos mecanismos reacionais e a determinação das constantes de velocidade das etapas elementares, durante as etapas de carga/descarga, tornam-se necessários para a escolha de eletrocatalisadores que favoreçam o aumento na densidade de energia e potência das baterias Li-ar. 
Neste projeto, novos eletrodos modificados à base de nanopartículas de platina, ouro e carbono serão investigadas, visando um aumento na atividade catalítica para a reação de redução de oxigênio (RRO) em meio orgânico aprótico (reação no compartimento catódico). Será realizado estudos cinéticos e mecanísticos a partir de análises de voltametria cíclica, cronopotenciometria, espectroscopia de impedância, microbalança eletroquímica a cristal de quartzo (EQCM) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), as quais permitirão um melhor entendimento quanto ao mecanismo e à cinética da RRO. Enquanto que a estrutura, a morfologia e o tamanho das partículas dos eletrodos serão analisadas com técnicas microscópicas e difração de raios-x.

Centro de Estudos de Adaptações da Biota Aquática da Amazônia
ADAPTA-AMAZÔNIA

Propõe-se a preparação de novos materiais para o seu uso em baterias de íon lítio. Nanocompósitos de óxidos de metais de transição e polímeros serão preparados e utilizados como eletrodos para armazenamento e conversão eletroquímica de energia. V2O5 e TiO2 serão utilizados como matrizes inorgânicas devido às suas propriedades de armazenamento de energia, além da facilidade de preparação de materiais nanocompósitos. Além do transporte de carga, serão analisados efeitos gerados pelo tamanho e distribuição de partículas, transferência eletrônica, morfologia e interações entre as múltiplas interfaces nos filmes automontados, dip-coating e spin-coating. Serão utilizadas técnicas eletroquímicas, espectroscópicas, microscopia e difração de raios X, visando um melhor entendimento da eletro-inserção iônica em novos eletrodos modificados.

Propõe-se a preparação, caracterização e otimização de propriedades eletroquímicas e catalíticas de nanocompósitos para armazenamento e conversão de energia. Nanoestruturas poliméricas e coloidais formadas de óxidos de metais de transição, polímeros orgânicos e nanopartículas metálicas serão controladas a partir da técnica ?layer-by-layer? (LBL). Os filmes de nanocompósitos serão estudados a partir de técnicas eletroquímicas, espectroscópicas, microscópicas, de difração de raios X e por estudos computacionais através de métodos correntes da mecânica quântica, como por exemplo, os métodos NBO (Natural Bond Orbital), EPA (Energy Partitioning Analysis), CDA (Charge Decomposition Analysis) e AIM (Atoms in Molecules). Serão analisados efeitos gerados pelo tamanho e distribuição de partículas, transporte de carga, transferência eletrônica, morfologia, ligações químicas e interações entre as múltiplas interfaces dos materiais particulados, visando um melhor entendimento dos processos envolvidos em novos eletrodos modificados, com propriedades adequadas para o uso em microbaterias de lítio e minicélulas a combustível de metanol e etanol direto.

Propõe-se a preparação, caracterização e otimização de propriedades elétricas, eletroquímicas, estruturais e catalíticas de nanocompósitos para armazenamento e conversão de energia. Nanoestruturas poliméricas e coloidais formadas de óxidos de metais de transição, polímeros orgânicos e nanopartículas metálicas serão controladas a partir da técnica ?layer-by-layer? (LBL). Filmes e partículas de carbono revestidas com os nanocompósitos serão estudados a partir de técnicas eletroquímicas, espectroscópicas, microscópicas e de difração de raios X. Serão analisados efeitos gerados pelo tamanho e distribuição de partículas, transporte de carga, transferência eletrônica, morfologia e interações entre as múltiplas interfaces dos materiais particulados, visando um melhor entendimento dos processos envolvidos em novos eletrodos modificados e eletrólitos complexos, com propriedades adequadas para o uso em microbaterias de lítio e microcélulas a combustível de metanol e etanol direto.

Propõe-se a preparação e a otimização das propriedades eletrocatalíticas de nanocompósitos automontados para o seu uso em microcélulas a combustível de metanol direto. Nanoestruturas formadas de óxidos de metais de transição, polímeros condutores e nanopartículas metálicas serão controladas a partir da técnica camada-por-camada. Alguns destes nanocompósitos atuarão como ânodos na eletro-oxidação de metanol, e outros serão utilizados como cátodos tolerantes a metanol durante eletro-redução de oxigênio. Serão analisados efeitos gerados pelo tamanho e distribuição de partículas, transporte de carga, transferência eletrônica, morfologia e interações entre as múltiplas interfaces dos materiais na atividade catalítica dos filmes automontados. Serão utilizadas técnicas eletroquímicas, microscópicas e de difração de raios X, visando um melhor entendimento dos processos envolvidos em novos eletrodos modificados, com propriedades adequadas para o uso no conjunto membrana-eletrodo das microcélulas a combustível.