Nanoestructuras de carbono nitrogenadas para pilas de combustible de electrolito polimérico

Resumen

El reto de la descarbonización de la economía se ha encontrado con un hándicap añadido, como es la pandemia COVID-19, que va a condicionar una agenda ya de por sí comprometida y de difícil gestión para gobiernos, instituciones, empresas e incluso ciudadanos. En cambio, la gestión de esta crisis económica derivada de la alarma sanitaria podría utilizarse como palanca y motor del cambio para introducir con mayor diligencia la tan necesaria transición hacia el empleo de energías limpias y sostenibles en sustitución de los combustibles fósiles en los sectores de transporte y de generación de electricidad. Dentro de este escenario, el hidrógeno es un vector energético limpio y versátil, por lo que su aplicación en pilas de combustible supone una apuesta segura en la industria automovilística, ya que garantiza el objetivo de cero emisiones y presenta mejores prestaciones en términos de autonomía y tiempos de carga. En este contexto, el trabajo principal de esta Tesis Doctoral se ha basado en el estudio de catalizadores para su utilización en pilas de combustible, con el objetivo de reducir la cantidad de metal noble necesaria y, por tanto, la reducción de sus costes, manteniendo un alto rendimiento. Concretamente, la investigación se ha centrado en la modificación con grupos nitrogenados de materiales carbonosos que se utilizan como soporte, para mejorar sus características y analizar cómo influyen en el comportamiento de los catalizadores, buscando así reducir o incluso eliminar la cantidad de metal noble requerida. Para ello, se han sintetizado y caracterizado materiales de carbono de diferente naturaleza como son las nanofibras de carbono, los xerogeles de carbono y los materiales mesoporosos ordenados, y se han comparado con un negro de carbono comercial, Vulcan XC 72R. Se han aplicado diferentes técnicas de modificación con nitrógeno para cada uno de estos materiales, observándose que con aquellas en las que los grupos nitrogenados se introducían durante la síntesis de dichos materiales, se obtenían materiales carbonosos dopados con mayor cantidad de grupos nitrogenados que con los tratamientos de modificación después de la obtención del material. Asimismo, se ha realizado la caracterización fisicoquímica de los materiales carbonosos dopados con nitrógeno y se han estudiado electroquímicamente como catalizadores sin metal para analizar la influencia de los grupos nitrogenados en la reacción de reducción de oxígeno en medio básico. La mejor actividad se ha obtenido para los materiales mesoporosos ordenados dopados con N, que han sido, a su vez, los de mayor contenido en N. Finalmente, los materiales carbonosos con nitrógeno se han utilizado como soporte de catalizadores de Pt y de PtRu para su investigación en las reacciones de reducción de oxígeno y de oxidación de metanol, respectivamente. En este caso, el estudio ha comprendido tanto medio básico como medio ácido. De este modo, se ha analizado la influencia del dopado en la síntesis de dichos catalizadores, en la interacción del soporte-metal, así como en su actividad electroquímica en función del medio de reacción. En cuanto a los catalizadores de Pt, los catalizadores que presentan mayor actividad son los soportados sobre los materiales mesoporosos ordenados dopados con nitrógeno, debido a que los grupos nitrogenados han creado defectos que mejoran la interacción del electrolito con el catalizador. En cambio, en los catalizadores de PtRu, los que han presentado la actividad más elevada son los soportados sobre nanofibras de carbono y Vulcan XC 72R porque son los que se envenenan más lentamente por la formación de especies intermedias de reacción.