Obtención por vía electroquímica y caracterización de estructuras metálicas

Abstract

Durante el transcurso de la presente Tesis Doctoral se estudió el proceso de formación por vía electroquímica y la caracterización de nanoestructuras unimetálicas de Pd y Rh, así como también del par bimetálico Rh-Pd, sobre sustratos carbonosos de HOPG y CV. Para ello, se emplearon técnicas electroquímicas convencionales y de caracterización superficial, tales como microscopía STM y AFM ex-situ, SEM, EDX y XPS. Las potenciales propiedades electrocatalíticas para la reacción de hidrógeno fueron analizadas para el sistema bimetálico Rh-Pd/CV. Inicialmente, se analizó la electrodeposición de los metales individuales, Pd y Rh, sobre HOPG y CV. Para ambos sustratos, la deposición metálica siguió un mecanismo de nucleación y crecimiento 3D controlado por difusión. Los depósitos logrados fueron caracterizados por AFM corroborando el mecanismo propuesto. En todos los casos, se pudieron analizar los sitios activos preferenciales para la nucleación, morfología y el tamaño de los cristales generados. Para el sistema Pd/HOPG, fue posible obtener, dependiendo de las condiciones de polarización empleadas, estructuras unidimensionales sobre los bordes de escalón del sustrato. Además, se logró demostrar la deposición espontánea de Rh sobre HOPG activado. Las imágenes de AFM mostraron cristales de diversos tamaños y formas, generando principalmente grandes aglomerados con el incremento del tiempo de inmersión. El análisis EDX confirmó la presencia de C y Rh en la superficie del sustrato. Seguidamente, fue posible generar estructuras bimetálicas Rh-Pd/CV, mediante la deposición secuencial de los metales, aplicando escalones potenciostáticos, a partir de electrolitos conteniendo los cationes individuales. La caracterización por AFM mostró cristales cuasi-hemisféricos distribuidos uniformemente sobre la superficie y el análisis XPS detectó la presencia de ambos metales, constituyendo una estructura tipo core-shell. Finalmente, se analizó cualitativa y cuantitativamente, el efecto electrocatalítico de las nanoestructuras bimetálicas de Rh-Pd generadas frente a la reacción del electrodo de hidrógeno (HER). El modelo Volmer-Heyrovsky-Tafel (VHT) fue utilizado para obtener el conjunto de parámetros cinéticos, simulando perfectamente el comportamiento de esta reacción en un amplio rango de sobrepotenciales.

During the curse of the present Doctoral Thesis, the electrochemical formation process and the characterization of Pd and Rh metallic nanostructures, as well as the Rh-Pd bimetallic pair, were studied on HOPG and CV carbonaceous substrates. For this purpose, conventional electrochemical and surface characterization techniques, such as ex-situ STM and AFM, SEM, EDX and XPS were used. The potential electrocatalytic properties for the hydrogen reaction were analyzed for the Rh-Pd/CV bimetallic system. Initially, the electrodeposition of the individual metals, Pd and Rh, on HOPG and CV was performed. For both substrates, the metal deposition followed a diffusion-controlled 3D nucleation and growth mechanism. The obtained deposits were characterized by AFM corroborating the proposed mechanism. In all the cases, it was possible to analyze the preferential active sites for nucleation, the morphology and the size of the generated crystals. For the Pd/HOPG system, it could also be obtained one-dimensional structures on the step edges of the substrate, depending on the polarization conditions employed. It was also demonstrated the spontaneous deposition of rhodium on activated HOPG. AFM images showed crystals of different sizes and shapes, generating mainly large agglomerates with increasing immersion time. The EDX analysis confirmed the presence of C and Rh on the substrate surface. Afterwards, it was possible to generate Rh-Pd/CV bimetallic nanostructures by the sequential deposition of the metals, applying potentiostatic steps, from electrolytes containing the individual cations. The AFM characterization showed quasi-hemispherical crystals uniformly distributed on the surface and the XPS analysis confirmed the presence of both metals, constituting a core-shell type structure. Finally, the electrocatalytic effect of the Rh-Pd bimetallic nanostructures, towards the hydrogen electrode reaction (HER), was qualitatively and quantitatively analyzed. The Volmer-Heyrovsky-Tafel (VHT) model was used to obtain the set of kinetic parameters, perfectly simulating the behaviour of this reaction in a wide range of overpotentials.