Desarrollo de electrocatalizadores anódicos para celdas de combustible (DMFC)

Abstract

Entre los diferentes tipos de celdas de combustible, las más apropiadas para suministrar energía a dispositivos portátiles, vehículos eléctricos y medios de transporte, son las de electrolito polimérico (PEMFCs) y metanol directo (DMFCs) debido a sus bajas temperaturas de trabajo (60–120 ºC) y a su rápida puesta en funcionamiento. Los catalizadores más utilizados en el ánodo de estas celdas son el Pt y sus aleaciones. En esta tesis se realizo el estudio de electrocatalizadores anódicos para celdas de combustible alimentadas con metanol directo (DMFC) sobre soportes carbonosos tales como carbón Vulcan, nanotubos de carbón de pared múltiple (MWCNTs) y un carbón mesoporoso estructurado. Se estudiaron aspectos relacionados con los soportes, se modificó la química superficial de los mismos mediante tratamientos oxidativos, funcionalización con acido cítrico y ácido nítrico. Se prepararon catalizadores monometálicos de Pt (17%) y bimetálicos de PtGe, PtIn y PtSn manteniendo la carga de Pt al 17% y variando la relación molar M/Pt=0.2 y 0.33, sobre los carbones funcionalizados y sin funcionalizar, mediantes distintos métodos de impregnación, ya sea deposición-reducción en fase líquida con ácido fórmico, borohidruro de sodio y etilenglicol como agentes reductores ó impregnación convencional seguida del tratamiento reductivo en H2 a 230 ºC. Se emplearon diferentes técnicas XPS, DRX, TPR, TPD, quimisorción de H2, reacciones sonda de la fase metálica, stripping de CO para evaluar la fase metálica de los catalizadores. Se seleccionaron los catalizadores que presentaban mejor performance y se los ensayo en una celda prototipo de metanol bajo condiciones reales de operación.

Polymeric electrolite (PEMFCs) and direct methanol (DMFCs) fuel cells are useful in portable devices, electric vehicles and transport means due to the low working temperatures (60–120 ºC) and the quick start up. The most used anodic catalysts are Pt and its alloys. A study of anodic catalysts for direct methanol fuel cells (DMFC) supported on carbonaceous materials such as Vulcan carbon, multi wall-carbon nanotubes (MWCNTs) and a structured mesoporous carbon is developed in this thesis work. The study was focused on the supports, its surfuce chemistry being modified by oxidative treatments, citric and nitric acids functionalizations. Monometallic (17%)Pt catalysts and bimetallic PtGe, PtIn and PtSn ones were prepared, with constant Pt load (17%) and molar ratio M/Pt = 0.2 and 0.33 over functionalized and non-functionalized supports. Several impregnating methods were used viz., liquid phase deposition-reduction with formic acid, sodium borohydride and ethylene glycol as reducing agents and conventional impregnation followed by a reducing treatment with hydrogen at 230°C. The metallic phase of the catalysts was characterized by XPS, XRD, TPR, TPD, hydrogen chemisorption and test reactions of the metallic phase, such as CO stripping. Finally, there were selected the best performance catalysts to be tested in a methanol prototype cell under real conditions.