Fontes alternativas de energia com origem microbiana: células de combustível e nanoestruturas supercapacitivas

Abstract

A escassez de fontes fósseis de energia no planeta associada à redução na oferta de recursos hídricos representam fatores preponderantes na busca por novos caminhos que forneçam diferentes fontes de energia. Nesta direção, o desenvolvimento de opções estratégicas como células de combustível e armazenadores de energia (supercapacitores), representa uma importante iniciativa para geração/armazenamento de energia, o que agrega não só parâmetros de produtividade, mas também de preservação ambiental, dada a possibilidade de uso de microrganismos na produção de energia elétrica e de materiais que não afetem o meio ambiente em supercapacitores. Dessa forma, na busca por possibilitar maior sustentabilidade e inovações aos recursos energéticos, nesta tese foram produzidos nanocompósitos para atuar como membranas trocadoras de íons em células de combustível a base de metanol, destacando-se membrana formada por PVA+PSSA+TiO2, assim como o desenvolvimento de uma arquitetura inovadora de tais células funcionando a base de leveduras e a aplicação de novos materiais atuando como eletrodos na forma de supercapacitores. Na célula de combustível microbiana proposta, foram testadas variáveis de efeito significativo na eficiência da mesma, como tipo de eletrodo, microrganismo utilizado, mediador e membrana trocadora de prótons, funcionando como eletrólito no dispositivo. Dessa forma foi possível obter uma célula de combustível com uma geração de eletricidade por período razoável a um nível de 70% da potência máxima atingida. Como forma de complementar esse ciclo e obter formas mais sustentáveis e eficientes de armazenamento de energia foi proposto um supercapacitor formado por uma estrutura casca-núcleo de WCNT@MnO2@polipirrol, sendo possível alcançar uma capacitância da ordem de 272,7F/g, contribuindo assim com o aprimoramento de toda a cadeia de geração e armazenamento de energia.

The scarcity of fossil energy sources and the reduction in the water resources are preponderant factors in the search for new ways of energy. The development of strategic options such as fuel cells and energy storage device (such as supercapacitors) represents an important initiative for energy generation/storage, which not only aggregates productivity parameters, but also provides environmental preservation, given the possibility of use of microorganisms in the production of electric energy and materials that not affect the environment. In this thesis, nanocomposites were used to perform the ion-exchange in membranes based on methanol-based fuel cells, highlighting the membrane of PVA + PSSA + TiO2, as well as the development of an innovative architecture of such cells based on yeasts and the application of new materials acting as electrodes of supercapacitors. In the proposed microbial fuel cell, different parameters were evaluated, such as type of electrode, microorganism, mediator and proton swapping membrane. It was possible to obtain a fuel cell with prolonged generation of electricity at a level of 70% of the maximum power. As a way of complementing this cycle and obtaining more sustainable and efficient forms of energy storage ,a supercapacitor formed by a coreshell structure of MWCNT @ MnO2 @ polypyrrole was proposed, being possible to achieve a capacitance in the order of 272.7F / g, contributing to enhancement in the power generation and storage chain industry.