Catalizadores para pilas de combustible de electrolito polimérico

Resumen

Lautilización del hidrógeno en pilas de combustible se perfila como uno de los principales medios de futuro para combatir la presión medioambiental a la que nos somete la dependencia de los combustibles fósiles, y también como una de las soluciones a su agotamiento. Entre los distintos tipos de pilas de combustible, las de electrolito polimérico (PEMFC) y las de metanol directo (DMFC) son las candidatas más prometedoras para aplicaciones portátiles y estacionarias, especialmente en el sector transporte, debido a las ventajas que presentan como su bajo peso, rápido arranque y que operan a bajas temperaturas (55-95 °C). No obstante, para hacer posible su comercialización a gran escala, es necesario reducir costes y mejorar algunos aspectos relacionados con sus componentes. Uno de los objetivos dentro del campo de investigación de las pilas de combustible es reducir la cantidad de platino utilizado en el electrocatalizador, para así reducir el coste de la pila. Para lograr este objetivo se propone el uso de nuevos materiales de carbono con propiedades texturales y química superficial controlables como soporte de los electrocatalizadores. El catalizador más utilizado en este tipo de pilas está basado en platino soportado sobre negros de carbono, siendo el Vulcan XC-72(R) el soporte más utilizado. Los materiales de carbono tienen una gran influencia en las propiedades de los metales soportados, como el tamaño de partícula, la morfología, la estabilidad y la dispersión. Además, también tienen efecto sobre la actividad de los catalizadores , como en el transporte de masa a través de los electrodos, la conductividad de la capa catalítica y el área electrocatalítica activa. Por tanto , la optimización de las propiedades de los soportes carbonosos es muy importante en el desarrollo de este tipo de pilas de combustible. En este contexto, la investigación llevada a cabo en la presente tesis doctoral se ha basado en la síntesis y la optimización de las propiedades de distintos materiales carbonosos, como nanofibras de carbono y materiales mesoporosos obtenidos utilizando distintos creadores de la mesoporosidad, los cuales se proponen como soporte de electrocatalizadores con el fin de maximizar la utilización del metal y la actividad del catalizador. Dichos materiales se han sometido á diferentes tratamientos de oxidación para modificar su química superficial y su morfología y así, determinar su influencia sobre las propiedades de los catalizadores. A partir de un estudio sistemático de las propiedades de los soportes y los catalizadores, se ha establecido una relación entre las propiedades físicas de las partículas de platino y la naturaleza del soporte. Al aumentar el grado de cristalinidad del soporte, se obtienen partículas de platino de menor tamaño y con una morfología más cristalina. Por otra parte, se ha visto que, para el método de preparación de catalizadores utilizado, el grado de aglomeración de las partículas de platino aumenta con el número de grupos oxigenados superficiales del soporte. Los catalizadores se han probado en el ánodo de una celda de combustible PEM, presentando todos ellos mayor actividad que un electrodo comercial (E-TEK), basado en platino soportado sobre Vulcan XC-72 con la misma carga metálica, lo que se atribuye a la estructura porosa de los soportes utilizados. Al igual que ocurre con las propiedades físicas de los catalizadores, los soportes tienen una gran influencia sobre la eficiencia de los catalizadores en la celda de combustible. Las menores pérdidas óhmicas se obtienen al utilizar soportes con elevada conductividad eléctrica, como las nanofibras de carbono. Mientras que las menores pérdidas por transferencia de masa se obtienen al utilizar los soportes obtenidos a partir de polímeros debido a su estructura mesoporosa. La funcionalización del soporte mejora la interacción metal-soporte durante las reacciones electroquímicas y por tanto, el comportamiento de los catalizadores en la celda de combustible. Sin embargo, disminuye la conductividad del soporte, por lo que es necesario llegar a un compromiso entre ambos efectos para optimizar la actividad de los catalizadores.