Catalizadores libres de metal para el cátodo de las pilas de combustible basados en materiales grafénicos dopados

Abstract

Los materiales nanoestructurados de carbono han recibido un creciente interés para ser utilizados como electrocatalizadores debido a que su configuración electrónica superficial presenta abundantes electrones tipo π. Esta configuración es de relevancia para reacciones con alta demanda de electrones como las que ocurren en los dispositivos electroquímicos de conversión de energía (baterías, pilas de combustible, etc.). En este sentido las pilas de combustible permiten la conversión directa de energía química (por ejemplo del hidrógeno) en energía eléctrica con una eficiencia elevada y representan una solución para una producción eléctrica no contaminante. Sin embargo, la cinética lenta de la reacción de reducción de oxígeno (ORR), que ocurre en el cátodo, hace necesaria la utilización de electrodos basados en platino, que debido a su coste y escasez, limita la implementación a gran escala de estos dispositivos. Se han estudiado diversas estrategias para sustituir al platino, y entre ellas, los materiales de carbono dopados aparecen como una alternativa prometedora en cuanto a disponibilidad y coste, pero que en la actualidad muestran aún baja actividad y estabilidad. En particular, se espera que las estructuras derivadas de grafeno presenten gran actividad catalítica debido a su especial morfología 2D con elevada área superficial, buena conductividad eléctrica y resistencia mecánica y química. Además, las estrategias de dopado con heteroátomos como N, S, P y B modifican la distribución electrónica creando defectos puntuales que facilitan la adsorción de la molécula de O2. En este trabajo se aplican distintas estrategias de síntesis de electrocatalizadores de grafeno dopados con N, S, P o B y se investiga la relación entre sus propiedades y su actividad para la ORR.