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Tipo: Tese
Título: CÉLULAS A COMBUSTÍVEL MICROFLUÍDICAS IMPRESSAS EM 3D: UM ESTUDO DE PROTÓTIPOS E DESEMPENHO
Autor(es): Katia Emiko Guima Menezes
Primeiro orientador: Caue Alves Martins
Resumo: Células a combustível microfluídicas (µFCs) são dispositivos capazes de produzir potência para equipamentos eletrônicos de pequeno e até de médio porte. Estes dispositivos são construídos com base em polidimetilsiloxano, demandando várias etapas de construção e especialidade de quem fabrica. Atualmente, há duas principais configurações de µFCs (i) flow-by (ou flow-over) e (ii) flow-through, ambas têm suas particularidades quanto às posições dos eletrodos e como os reagentes fluem por eles. Considerando as atuais condições de construção das µFCs, propomos uma nova metodologia que apresenta menos etapas de desenvolvimento, não demanda mão-de-obra especializada e tem menor custo. Utilizamos a impressão 3D para construir µFCs tanto em configuração flow-over quanto em flow-through. Como provas de conceitos conseguimos demonstrar que os dispositivos impressos em 3D, em uma visão ampla, são capazes de gerar potência quando alimentados com derivados da biomassa. Demonstramos uma µFC impressa em 3D alimentada com glicerol/HClO que apresentou densidade de potência de 175 mW cm-2 a 0,9V com registro de potencial de circuito aberto de 1,8 V. Esse sistema microfluídico também permite a modificação de eletrodos com dois métodos in situ e in operando. Modificamos o ânodo do dispositivo com Bi e o método in situ demonstrou decoração homogênea do eletrodo além de aumentar o potencial de circuito aberto e de densidade de potência, o método também demonstrou conversão de 72% de glicerol com detecção para glicolato e formato utilizando um sistema alimentado por glicerol/persulfato de sódio. Um outro dispositivo com configurações de modelagem similares foi desenvolvido para estudar diferentes oxidantes, entre líquidos e gasosos. A novidade deste dispositivo está na montagem com parafusos que permite sua reutilização. Esse novo sistema registrou densidades de potência mais elevadas para a configuração glicerol/HClO utilizando cátodos livre de metais chegando a 55,9 mWcm-2 com potencial de circuito aberto de 1,6 V. Uma fotocélula a combustível impressa em 3D também foi estudada, o dispositivo foi planejado para mitigar poluentes concomitantemente à geração de energia, além de ser promissor para novos testes de (foto)eletrocatalisadores. O dispositivo registrou densidade de potência de 0,48 mWcm-2 e alcançou uma margem de 73,6% de conversão do poluente modelo via processos fotoeletroquímicos.
Abstract: Microfluidic fuel cells (µFCs) are devices capable of generating power for small to medium-sized electronic equipment. Such devices are constructed using polydimethylsiloxane, and require multiple fabrication steps and manufacturer expertise. There are two main configurations of µFCs: (i) flow-by (or flow-over) and (ii) flow-through, each with its own specificities regarding the electrode positions and how reactants flow through them. Considering the described construction conditions of µFCs, we propose a new methodology that involves fewer development steps, does not require specialized labor, and has a lower cost. We used a 3D printer to construct µFCs in flow-over and flow-through configurations. To establish the concept's viability, we were able to show that 3D-printed devices, in general, are capable of generating power when fueled with biomass derivatives. We demonstrated a 3D-printed µFC fed by glycerol/HClO, which resulted in a power density of 175 mW cm-2 at 0.9V, with an open-circuit potential of 1.8 V. This microfluidic system also enables electrode modification by the use of two methods, in situ and in operando. We modified the device's anode with Bi, and the in situ method showed uniform electrode decoration and also increased the open-circuit potential and power density. Furthermore, this method showed a 72% conversion of glycerol with the detection of glycolate and formate using a glycerol/sodium persulfate-fed system. We developed another device with similar modeling configurations to study different liquid and gaseous oxidants. This device innovation lies in it’s assemble-based model, which allows reusability. This new system recorded higher power densities for the glycerol/HClO configuration using metal-free cathodes, reaching 55.9 mWcm-2 and 1.6 V for open-circuit potential. A 3D-printed microfluidic photo fuel cell (µFC) was also assessed and designed to simultaneously mitigate pollutants while generating energy, indicating its potential for future (photo)electrocatalyst tests. The device recorded a power density of 0.48 mWcm-2 and achieved a conversion rate in the model pollutant through photoelectrochemical processes of 73.6%.
Palavras-chave: Manufatura aditiva
Sistemas microfluídicos
Glicerol
Produtos de alto valor agregado
Fotocélulas
Modificação e teste de eletrodos
País: Brasil
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/6736
Data do documento: 2023
Aparece nas coleções:Programa de Pós-graduação em Química

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