Desarrollo de catalizadores bimetálicos para la electrooxidación de metanol

Abstract

Durante el transcurso de este trabajo se estudió el comportamiento de catalizadores soportados de Pt y PtRu sobre diferentes materiales de carbono en la electrooxidación de metanol. Los catalizadores fueron depositados a partir de soluciones acuosas diluidas en medio ácido sobre materiales de carbono utilizando diferentes técnicas de electrodeposición como por ejemplo, deposición por control de la carga total aplicada a potencial constante, ciclos sucesivos de pulsos de potencial, etc. Como sustratos para el catalizador se utilizaron materiales planos como carbono vítreo y grafito pirolítico altamente orientado y materiales estructurados como tela de grafito, fieltro de grafito y papel de fibras de carbono. Asimismo, estos materiales fueron sometidos a procesos de activación electroquímica para mejorar las propiedades de los depósitos metálicos. También, se estudió el efecto del agregado de una película de Nafion 117 sobre la superficie de los electrodos soportados y la presencia de compuestos orgánicos en las soluciones utilizadas para la electrodeposición de los metales. Se utilizaron catalizadores soportados de Pt y PtRu de diferente composición para estudiar la cinética de oxidación de metanol. Se determinó que tanto la actividad catalítica como los parámetros cinéticos dependen de la composición del catalizador. La etapa determinante de la velocidad de reacción para la oxidación de metanol involucra la presencia de dos intermediarios adsorbidos (CO ads y OH ads ). La presencia de una película de Nafion 117 sobre la superficie del electrodo no produce cambios en la cinética de la reacción, pero si en la actividad catalítica por bloqueo parcial de sitios superficiales activos. Un aumento de la temperatura de trabajo produce una mejora en el rendimiento de los electrodos debido a una disminución en la energía de adsorción de los intermediarios más estables (CO ads y OH ads ). La densidad de corriente de los electrodos aumenta con el aumento de la concentración de metanol entre 0,1 y 1 M y luego se vuelve independiente de la concentración del reactivo. La disminución del pH produce una merma en la actividad de oxidación de metanol por desplazamiento del equilibrio de formación de las especies oxigenadas. La actividad catalítica de un electrodo soportado en la oxidación de metanol se encuentra influenciada fundamentalmente por las características del material utilizado como sustrato, del método de electrodeposición y de las características de los depósitos obtenidos.

During the course of this work the behavior of different carbon supported Pt and PtRu catalyst on the methanol electrooxidation was studied. The catalysts were deposited from diluted aqueous solutions in acid media on carbon materials using different electrodeposition techniques such as deposition by control of the total charge applied at constant potential, consecutive cycles of potential pulses, etc. Smooth materials as vitreous carbon and highly ordered pyrolytic graphite, and structured materials such as graphite cloth, graphite felt and carbon fiber paper were used as catalyst support. Furthermore, these materials were activated by the use of an electrochemical process to improve the properties of the metallic deposits. In addition, the presence of a Nafion 117 film on the electrode surface and the organic additives in the electrodeposition solution were studied. Supported Pt and PtRu catalyst of different composition were used to study the methanol oxidation kinetics. The catalytic activity and the kinetic parameters depend on the catalyst composition. The rate determining step in the methanol oxidation reaction involves the presence of two adsorbed intermediaries (CO ads and OH ads ). The presence of a Nafion 117 film over the electrode surface produces an activity diminution in methanol oxidation by the partial blockade of some active surface sites; however, this does not affect the kinetic of the reaction. An increase in the work temperature produces an improvement in the catalytic activity of the electrodes due to a diminution in the adsorption energy of the most stable intermediaries (CO ads and OH ads ). The catalytic activity of the electrodes increases with the increase of the methanol concentration between 0.1 and 1 M and after that becomes independent from the reagent concentration. The pH diminution produces a decrease in the electrode performance by displacement of the equilibrium during the formation of the oxygenated species. The performance of a supported electrode in the oxidation of methanol is influenced essentially by the characteristics of the material used as substrate, the method used to electrodeposit the catalyst and the characteristics of the obtained deposits.