Síntesis de nanoestructuras Pt-Mo/WMCNTs reducidas con química verde y su actividad electrocatalítica en la RRO
E. Torres Santillán1, M. L. Aguilar Elizalde1, S. Capula Colindres2, G. Terán Mendez2,
A. Ezeta Mejía1, O. G. Rojas Valencia1.
1Departamento de Ingeniería Química, ESIQIE-Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México., México., Teléfono (55) 5729-6000 Ext. 55143 Fax (55) 5729-55015
2Departamento de Metalurgia, CECyT 02, Ciudad de México., México., Teléfono (55) 57296000 ext. [email protected]
RESUMENNanopartículas de platino (Pt) y molibdeno (Mo) fueron soportadas sobre nanotubos de carbono multipared (MWCNTs) y reducidas por la vía química verde por el método de
impregnación húmeda. Las nanoestructuras Pt-Mo/MWCNTs se sintetizaron para determinar su actividad electrocatalítica en la reacción de reducción de oxígeno (RRO) en medio
ácido. Se compararon diferentes relaciones de Pt:Mo en porcentaje peso (0:0, 8:2, 10:0, respectivamente) de la fase activa. La morfología y la estructura de las nanopartículas y del
soporte fueron analizados por difracción de rayos X (DRX), y por microscopía electrónica de transmisión (MET). Los resultados mostraron que la reducción vía química verde de
las nanopartículas Mo y Pt presentan una buena dispersión en el soporte tubular, obteniendo tamaños entre 3 a 15 nm. Las nanoestructuras con Pt-Mo presentan una transferencia
de primer orden en la RRO, con un mecanismo directo de 4 electrones y con un beneficio máximo de corriente en la relación con contenido de Pt8Mo2 de acuerdo a los parámetros
cinéticos obtenidos.
RESULTADOS
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
La problemática ambiental y la falta de reservas en torno a las
fuentes de energía de los recursos no renovables han
impulsado la búsqueda de energías alternas. Las
investigaciones se han centrado en la búsqueda de nuevas
fuentes de energías de fácil disposición, alta eficiencia y sobre
todo que presenten baja emisión de contaminantes a la
atmósfera [1]. Una propuesta en donde se ha puesto énfasis,
es la investigación para la producción de energía limpia
empleando las celdas de combustible [2].
Las celdas de combustible de membrana de intercambio
protónico (PEMFC, por sus siglas en inglés, Polymer
Electrolyte Membrane Fuel Cell), han tenido mayor desarrollo
tecnológico dentro de las CC [3,4]. De las reacciones que se
llevan a cabo en una celda de combustible, la reacción de
reducción de oxígeno (RRO) es la reacción limitante, ya que
es 4 órdenes de magnitud más lenta que la reacción de
oxidación del hidrógeno (ROH), esto se debe a la estabilidad
de la molécula de oxígeno y al doble enlace que presenta, lo
cual requiere de un mayor potencial para que se lleve a cabo
(1.23 V). Para obtener altas conversiones en esta reacción se
utiliza el Pt y aleaciones soportados en carbono como cátodo,
ya que catalizan la RRO en un proceso que favorece la
transferencia directa de 4 electrones para formar agua; de lo
contrario sí se forman intermediarios de reacción, como el
peróxido de hidrógeno, puede generar reacciones secundarias
que a largo plazo ponen en riesgo la estabilidad de los
componentes de la celda [5]
Síntesis de nanoestructuras reducidas ruta verde/ Evaluación electroquímica
[1] F.J. Rodriguez Varela, O. Solorza Feria, and E.
Hernández Pacheco, Celdas de Combustible. 1a Edición.
Createspace, USA, p 248 (2010)
[2] M. Brown, T. Casten, Guide to Decentralized Energy
Technologies: Decentralized Energy reduces the risk of
transmission failure and of catastrophic blackouts.
Cogener Distrib Gener J. 19, 6–45 (2004)
[3] M. Höök and X.Tang, Depletion of fossil fuels and
anthropogenic climate change—A review. Energy Policy.
52, 797–809 (2013).
[4] H. M. Poggi-Varaldo, A. Martínez Reyes, J. A. Pineda
Cruz, and S.Caffarel Méndez, Libro de Ciencia y
Tecnología No. 2 “Tecnologías Solar-Eólica-Hidrógeno-
Pilas de Combustible como fuentes de energía,” 1a
Edición. Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec,
México (2009)
En este trabajo se determinó que el método de síntesis de las nanoestructuras de Pt-Mo/MWCNTs
reducidas vía química verde permiten la obtención de muestras que presentan actividad catalítica en la
RRO. La M2 presenta mayor actividad catalítica que la M3 de acuerdo con el análisis de los parámetros
cinéticos obtenidos, por lo que se determina que aunque el molibdeno presente en la M2 disminuye un
poco la densidad de corriente en las VL para la RRO, posiblemente por su mayor tamaño de partícula, el
molibdeno también permite con una relación adecuada con el Pt, una mayor eficiencia para llevar a cabo
la reducción del oxígeno, por lo que la relación Pt:Mo es un factor muy importante en la síntesis de dichas
nanoestructuras. De acuerdo con las pendientes de Tafel las nanoestructuras con PtMo/MWCNTs
presentan un mecanismo deseado de primer orden, con las mejores características cinéticas para la
muestra Pt8Mo2/MWCNTs por el menor sobrepotencial, menor pendiente de Tafel, una mayor actividad,
aunque presenta una menor densidad de corriente esto posiblemente por el mayor tamaño de partícula
que presentan las nanoestructuras.
REFERENCIAS
Caracterización estructural y morfológica
MÉTODOINTRODUCCIÓN
KOH
ERETCE
H2SO4
REWECE
Electrodo de trabajo
(ET)
Pt –Mo /MWCNTs
Pt/C-ETEK
Electrodo de referencia
(RE)
Electrodo Normal de
Hidrógeno (ENH)
Contraelectrodo
(CE)
Grafito
Electrólito 0.5 M H2S4 Solución
Tasa de barrido 5 mV/s
Rango potencial 0 mV a 1200 mV
Electrodo de trabajo
(ET)
Pt –Mo /MWCNTs
Electrodo de referencia
(RE)
Electrodo Normal de
Hidrógeno (ENH)
C
OMo
Mo
Mo
MoPtPtO
(b)(a)
50 nm 50 nm
CARACTERIZACIÓN
ESTRUCTURAL Y
MORFOLÓGICA
• DRX
• MET-EDS
EVALUACIÓN
ELECTROQUÍMICA
EN LA RRO
• Voltametría cíclica (VC)
• Voltametría lineal (VL)
• Electrodo disco (EDR)
• Pendiente de Tafel, KL
Síntesis de nanoestructuras
Pt-Mo/MWCNTs reducidas vía
química verde
Pt:Mo (0:0, 8:2 y 10:0)
Fig. 4. Voltametría lineal de las muestras M2 y M3
y su comparativo a una velocidad de 900 rpm.
Evaluación electroquímica
Fig. 5. Determinación de las pendientes de Tafel
Fig. 3. Voltamperometría cíclica de M1, M2 y M3 a una
velocidad de 50 mVs-1, último ciclo.Fig. 1. Difractogramas de las muestras M1, M2 y M3
Fig. 2 Micrografías de MET de las muestras (a) M3 y (b)
M2 y el análisis químico EDS en la parte inferior
respectivamente.
Tratamiento MWCNTsImpregnaciónreducción
Filtración
Secado