Síntesis y evaluación de catalizadores noveles para uso en celdas de combustible de electrolito polimérico

Resumen

La presente Tesis Doctoral se centra en la síntesis y caracterización fisicoquímica y espectro-electroquímica de nuevos materiales para ser usados como electrocatalizadores en el ánodo de una celda de combustible de hidrógeno (PEMFC) o de metanol directo (DMFC). Esta tecnología opera a baja temperatura y se caracteriza por producir energía sostenible con elevada eficiencia de conversión y sin contaminación en el caso de las que consumen hidrógeno. Sin embargo, también presenta problemas, destacando que requieren una alimentación con reactivos de alta pureza y utilizan catalizadores costosos basados en metales nobles como el platino. Además, los metales se soportan en carbones de área elevada para maximizar su superficie de contacto, que sufren corrosión en el medio altamente agresivo de una celda de combustible. Por consiguiente, existe pérdida y aglomeración del material noble, como así también envenenamiento del mismo por intermediarios de reacción, como el monóxido de carbono y/o trazas de éste en el gas reactante producido por reformado (cuyo componente principal es el hidrógeno). Las investigaciones realizadas se pueden articular en dos grandes bloques: i) síntesis y estudio de nanopartículas bidimensionales de platino con geometría y simetría superficial bien definidas a través del método de microemulsión inversa; y ii) síntesis y estudio del soporte catalítico basado en carburos de molibdeno obtenidos por reducción carbotérmica, en donde se anclaron nanopartículas de platino sintetizadas por el método de reducción con ácido fórmico. Ambos materiales fueron caracterizados a través de técnicas fisicoquímicas convencionales ex-situ (XPS, ICP, EDX, TEM, TGA, DRX, STM y AFM) y técnicas espectro-electroquímicas in-situ (DEMS y FTIRS). Además, se evaluó su actividad catalítica hacia la oxidación de metanol y monóxido de carbono en medio ácido en un amplio rango de temperaturas. Los resultados mostraron que el método de microemulsión inversa produce nanoislas de platino de altura atómica y 5 nanómetros de diámetro que se alinean para formar filas paralelas de 500 nanómetros. Se identificó que están compuestas por átomos con una simetría (111) de largo alcance en la cara, y por átomos de bajo número de coordinación con simetría (110) y (100) en los bordes. Se observó un aumento elevado en la actividad catalítica hacia la oxidación del monóxido de carbono y el metanol. Por otro lado, el método de reducción carbotérmica condujo a la formación de materiales con estructura core-shell, que consistieron en fases reducidas de molibdeno en el núcleo (molibdeno (0), óxido de molibdeno y/o carburo de molibdeno) rodeadas de una capa fina de óxido de molibdeno (VI), que proporciona una la elevada estabilidad al soporte catalítico. Al depositar nanopartículas de platino sobre estos materiales, se observó que las distintas fases de molibdeno reducido presentes en el núcleo del soporte catalítico, producen un gran efecto en la actividad y estabilidad del catalizador. La oxidación de monóxido de carbono adsorbido es independiente de la naturaleza del núcleo del soporte, comenzando la producción de dióxido de carbono a potenciales tan bajos como 0.1 V frente al electrodo de referencia de hidrógeno. Por el contrario, se advierte una gran dependencia de la reacción de oxidación de metanol con la fase de molibdeno reducido presente en el núcleo del soporte catalítico. Finalmente, los resultados obtenidos en la presente Tesis Doctoral indican que los nuevos catalizadores de nanopartículas bidimensionales de platino y el soporte basado en carburo de molibdeno, pueden ser una alternativa prometedora para el aumento en la eficiencia y para la reducción de costes de los electrocatalizadores anódicos de las celdas de combustible que trabajan a baja temperatura.