Enfoques novedosos para el desarrollo de nuevos electrodos y medios de reacción de interés en celdas de combustible de baja temperatura

Abstract

El presente proyecto busca efectuar aportes al conocimiento fundamental y al desarrollo tecnológico de las celdas de combustible de baja temperatura (LTFCs) para avanzar hacia una mejora sustantiva de la performance de estos dispositivos. A través de enfoques novedosos se abordará el estudio de tres aspectos que al presente son factores limitantes del rendimiento de las LTFCs, como son los electrocatalizadores usados en el ánodo y el cátodo, la configuración de estos electrodos, y el medio de reacción. Por una parte, se efectuarán estudios cinéticos mecanísticos de las reacciones anódicas (oxidación de hidrógeno, de alcoholes y de ácido fórmico) y catódica (reducción de oxígeno) sobre electrodos bimetálicos modelo conformados por un metal noble (Pt, Pd, Rh) y un metal oxofílico estable (W, Mo, Ti) obtenidos por electrodeposición desde soluciones en eutécticos binarios de baja temperatura. Estos estudios apuntarán a brindar evidencias sobre el funcionamiento de sitios bifuncionales en las etapas elementales y de sus efectos en los comportamientos sinergéticos que estos electrodos evidencien. También se estudiará la reducción de oxígeno sobre electrodos no metálicos basados en polímeros de coordinación de metales de transición, como un primer intento de aproximarse a un diseño no convencional de electrocatalizador inspirado en los sitios activos de enzimas (en este caso reductoras de oxígeno). Por otra parte, se desarrollará una configuración de electrodo novedosa basada en el uso de membrana nanoporosa con potencial aplicación como electrodo y difusor de gases en LTFCs, que en contacto con el electrolito optimice tanto el acceso de reactivos a la superficie electrocatalítica como la evacuación o transporte de productos electrogenerados en la misma. Finalmente, se estudiará la performance de líquidos iónicos próticos (LIPs) como solventes electroquímicos potencialmente útiles en LTFCs. Más precisamente, se analizará la conducta de electrodos metálicos frente a las reacciones del electrodo de hidrógeno y de reducción de oxígeno en LIPs de bases amónica e imidazólica con cationes de ácidos fuertes, apuntando a detectar efectos configuracionales (sustituyentes del catión, tipo de anión) y fisicoquímicos (equilibrios ácido-base, hidrofobicidad) de los mismos sobre los mecanismos de estas reacciones.

This project seeks to contribute to the fundamental knowledge and technological development of low temperature fuel cells (LTFCs) to move towards a substantial improvement in the performance of these devices. Through novel approaches the study of three aspects that at present are limiting factors of the performance of LTFCs, such as the electrocatalysts used in the anode and cathode, the configuration of these electrodes, and the reaction medium will be addressed. On the one hand, mechanistic kinetic studies of the anodic (oxidation of hydrogen, alcohols and formic acid) and cathodic (oxygen reduction) reactions will be carried out on model bimetallic electrodes formed by a noble metal (Pt, Pd, Rh) and a stable oxophilic metal (W, Mo, Ti) obtained by electrodeposition from solutions in deep eutectic solvents. These studies will aim to provide evidences on the functioning of bifunctional sites in the elementary stages and their effects on the synergistic behaviors that these electrodes show. The reduction of oxygen on non-metallic electrodes based on transition metal coordination polymers will also be studied, as a first attempt to approach an unconventional electrocatalyst design inspired by active enzyme sites (in this case oxygen reducing enzymes). On the other hand, a novel electrode configuration will be developed based on the use of nanoporous membranes with potential application as gas diffusion electrodes in LTFCs, which in contact with the electrolyte optimizes both the reagent access to the electrocatalytic surface and the evacuation or transport of electrogenerated products. Finally, the performance of protic ionic liquids (PILs) as electrochemical solvents potentially useful in LTFCs will be studied. More precisely, the behavior of metal electrodes against the hydrogen electrode and oxygen reduction reactions in PILs based on ammonium and imidazolate cations with anions from strong acid will be analyzed, aiming to detect configurational (cation substituents, anion type) and physicochemical (acid-base balances, hydrophobicity) effects on the mechanisms of these reactions.