Catalizadores para pilas de combustible de alcohol directo

Abstract

El hidrógeno es pronosticado por muchos expertos como el portador de energía del futuro, debido principalmente a que es renovable y prácticamente no contaminante, en comparación con otros portadores de energía como la gasolina o el diesel. La producción actual de transportadores de hidrógeno utiliza combustibles fósiles como el gas natural, aunque los portadores de hidrógeno pueden ser producidos a partir de biomasa sin alterar el balance de CO2. Los portadores líquidos de hidrógeno se pueden introducir y almacenar con mucha más facilidad que el hidrógeno gas, y pueden incluso hasta cierto punto, utilizar la infraestructura existente. Compuestos orgánicos como el metanol o el ácido fórmico, presentan la estructura más simple de todos los combustibles orgánicos posibles y por lo tanto deberían tener los mecanismos de reacción más directa. Sin embargo, la baja densidad de intercambio vigente en la mayoría de los electrodos hace que sean mucho menos activos que el hidrógeno y hace necesaria la utilización de un catalizador de metal precioso como el platino para obtener rendimientos razonables de reacción. Por desgracia, los catalizadores de platino son fácilmente envenenados por los intermediarios de reacción de la oxidación de combustibles orgánicos, lo que limita significativamente su rendimiento. Uno de los objetivos dentro del campo de investigación de las pilas de combustible es reducir la cantidad de metal 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. La optimización de las propiedades de los soportes carbonosos es muy importante en el desarrollo de este tipo de pilas de combustible, debido a que las mismas influyen en distintas propiedades de los catalizadores como el tamaño de partícula, la morfología, la estabilidad y la dispersión. 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 las nanoespirales de carbono con el fin de maximizar la utilización del metal y la actividad del catalizador. Dichos materiales se han sometido a diferentes tratamientos de oxidación para modificar su química superficial y su morfología y así, determinar su influencia sobre las propiedades de los catalizadores. Posteriormente, se depositaron metales y aleaciones (Pt, Pd, Pt-Ru y nanopartículas de Au-Pd con estructura core-shell) a través de diferentes rutas químicas sobre los materiales carbonosos. Se evaluaron las propiedades estructurales de los electrocatalizadores sintetizados, en comparación con materiales comercialmente disponibles. Se investigó la función oxidativa de los diversos electrocatalizadores para metanol, etanol y ácido fórmico. También se estudió la oxidación de monóxido de carbono, ya que el mismo es conocido por ser un veneno cuando es producido como intermedio de reacción en sistemas de pilas de combustible.