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https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/10888
Tipo: | Trabalho de Conclusão de Curso |
Título: | Célula a combustível microfluídica de papel alimentada por etilenoglicol: O uso de quantidades reduzidas de Pt no ânodo na busca por um dispositivo descartável |
Autor(es): | Piter Martins Rocha |
Primeiro orientador: | CAUE ALVES MARTINS |
Resumo: | Células a combustível microfluídicas de papel (PµFCs) são dispositivos capazes de produzir energia explorando a capilaridade do papel, permitindo que o fluxo seja conduzido sem a necessidade de bombeamento externo e de membrana. Estes dispositivos devem ser descartáveis, possuir baixo custo de produção e ter energia suficiente para alimentar eletrônicos. O principal desafio reside na construção de PµFCs sustentáveis e eficientes, minimizando o uso de platina, um material caro e tóxico em altas quantidades. Para preservar a eficiência e reduzir o uso de Pt na célula, adotou-se a estratégia de deposição controlada do catalisador por meio da técnica de sputtering. Neste trabalho, apresentamos uma PµFC equipada com ânodos compostos por carbon paper (CP) modificados por Pt em quantidades reduzidas depositadas por sputtering e cátodo de CP livre de metal, alimentado por etilenoglicol, um combustível derivado da biomassa. A célula foi projetada para um meio misto, etilenoglicol é eletro-oxidado em meio alcalino, ao passo que Na2S2O8 é reduzido em meio ácido, permitindo com que as reações em meia-célula sejam otimizadas independentemente. Os resultados obtidos na PµFC mostram uma densidade de corrente máxima de 101,80 mA cm-2 e uma densidade de potência de 9,75 mW cm⁻², posicionando-se entre as maiores observadas para células a combustível microfluídicas de papel alimentadas por álcool. As medidas de meia-célula revelaram que os eletrodos preparados por sputtering com quantidades reduzidas de Pt em CP resultam em maior corrente máxima e menor potencial de início de reação, indicando um aumento na eficiência. Os testes de estabilidade mostraram que o desempenho dos eletrodos sofre decréscimo com os ciclos em função do envenenamento por CO, embora uma melhoria na cinética de reação tenha sido notada com um maior número de ciclos. Quando comparados, os eletrodos Pt/CP-40 e Pt/CP-60 apresentaram desempenhos de densidade de potência superiores a Pt/C/CP. Os ânodos com menor teor de Pt demonstraram ser mais eficientes em termos de densidade de potência e corrente mássica, o que apoia o desenvolvimento de dispositivos mais sustentáveis e econômicos, impulsionando o setor de energias limpas e ampliando o uso de células de combustível microfluídicas de papel em diversas aplicações. |
Abstract: | Paper-based microfluidic fuel cells (PµFCs) are devices capable of generating energy by exploiting the capillarity of paper, enabling fluid flow without the need for external pumping or membranes. These devices are intended to be disposable, low-cost, and capable of providing sufficient energy to power small electronics. The main challenge lies in designing sustainable and efficient PµFCs while minimizing the use of platinum, a costly material that is toxic in high quantities. To maintain efficiency while reducing Pt usage in the cell, a controlled deposition strategy was adopted using the sputtering technique. In this work, we present a PµFC equipped with anodes composed of carbon paper (CP) modified with reduced amounts of Pt deposited via sputtering and a metal-free CP cathode, powered by ethylene glycol, a biomass-derived fuel. The cell was designed for a mixed medium, where ethylene glycol is electro-oxidized in an alkaline medium, while Na₂S₂O₈ is reduced in an acidic medium, allowing half-cell reactions to be independently optimized. The PµFC exhibited a maximum current density of 101.80 mA cm⁻² and a power density of 9.75 mW cm⁻², positioning it among the highest reported for paper-based microfluidic fuel cells powered by alcohols. Half-cell measurements revealed that electrodes prepared by sputtering with reduced Pt content in CP achieved higher maximum currents and lower onset potentials, indicating enhanced efficiency. Stability tests showed a decline in electrode performance over cycles due to CO poisoning, although an improvement in reaction kinetics was observed with an increasing number of cycles. Comparatively, the Pt/CP-40 and Pt/CP-60 electrodes outperformed Pt/C/CP in terms of power density. The anodes with lower Pt content demonstrated greater efficiency in terms of power density and mass-specific current, supporting the development of more sustainable and cost-effective devices. These findings promote advancements in clean energy technologies and broaden the applicability of paper-based microfluidic fuel cells. |
Palavras-chave: | célula a combustível papel etilenoglicol platina sputtering |
País: | |
Editor: | Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul |
Sigla da Instituição: | UFMS |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/10888 |
Data do documento: | 2024 |
Aparece nas coleções: | Engenharia Física - Bacharelado (INFI) |
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