Catalizadores catódicos altamente eficientes para pilas de combustible de electrolito polimérico

Abstract

La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de catalizadores altamente eficientes para la reacción de reducción de oxígeno (ORR) que sean tolerantes a los efectos del crossover de metanol para poder emplearse como cátodo en una PEMFC o una DMFC. Para ello, se han desarrollado diferentes estrategias en el diseño de catalizadores que resulten menos costosos y presenten una elevada actividad electrocatalítica hacia esta reacción. En este contexto, se sintetizaron catalizadores basados en aleaciones bimetálicas y trimetálica de Pd con diferentes metales de transición como Fe e Ir, y posteriormente se les evaluó su respuesta electroquímica hacia la ORR tanto por técnicas electroquímicas convencionales así como en el cátodo de una estación de pila de combustible de metanol. Por otro lado, también se sintetizaron aleaciones trimetálicas de Pt, con Cr y Co, soportados sobre carbón mesoporoso ordenado (CMK3) que posteriormente fueron sometidos a un tratamiento térmico reductor a diferentes temperaturas, lo que produjo el desarrollo de fases activas para la ORR. Finalmente, se desarrollaron una serie de materiales carbonosos basados en grafeno (GMs, Graphene Materials) dopados con heteroátomos como S y/o N. Dichos materiales mostraron buenas actividades hacia la ORR en medio básico. Para el estudio de la ORR se utilizaron las técnicas de electrodo disco rotatorio (RDE) y disco-anillo rotatorio (RRDE). A los GMs se les evaluó su estabilidad a la corrosión por medio de espectroscopía Raman electroquímica (RESQCA). Para la caracterización fisicoquímica se utilizaron técnicas de rayos X como la difracción (XRD), la espectroscopía fotoelectrónica (XPS) y energía dispersiva (EDX), ademas de la microscopía electrónica de barrido, la microscopía electrónica de transmisión (TEM), la espectroscopía Raman y analisis elemental.

This PhD work focuses on the development of highly efficient catalysts toward the ORR, at the cathode of PEMFC and DMFC devices with elevated tolerance to methanol. With this aim, several strategies on the design of low cost catalysts, with electrocatalytic activity toward the ORR, have been developed. In this context, Pd-based bi- and tri- metallic alloys with different transition metals such as Fe and Ir were synthesized, and posteriorly their electrochemical response toward ORR was evaluated by conventional electrochemical techniques as well as cathode in a methanol fuel cell station. On the other hand, Pt, Cr and Co trimetallic alloys supported on ordered mesoporous carbon (CMK3) were synthesized, and a posterior reductive thermal treatment at several temperatures yields active phases growth for the ORR. Finally, S and/or N doped carbonaceous materials based on graphene (GMs, Graphene Materials) were developed. Such materials display outstanding ORR activity in alkaline medium. ORR analysis was made by using rotating disk electrode (RDE) and rotating ring-disk electrode (RRDE) electrochemical techniques. Corrosion stability for the GMs was tested by Raman spectroelectrochemistry. Physicochemical characterization was done by using X-ray techniques, such as diffraction (XRD), photoelectronic spectroscopy (XPS) and dispersive energy (EDX), apart from scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy and elemental analysis.