Desarrollo de electrocatalizadores nanoestructurados para la oxidación de alcoholes en celdas de combustible

Abstract

La presente tesis aborda la síntesis y caracterización de electrocatalizadores anódicos para celdas de combustible que funcionan con alimentación directa de alcoholes, particularmente etanol y glicerol. Este estudio resulta crítico para el desarrollo de celdas de combustible de costo, rendimiento, eficiencia y durabilidad competitivos, para su aplicación como fuente de energía sustentable en transporte, sistemas estacionarios o pequeños dispositivos electrónicos. Para ello, se estudió la formación de nanopartículas bimetálicas y trimetálicas de base Pt, tanto soportadas y no soportadas, con control sobre su composición, tamaño y estructura. Se demostró que estos parámetros fisicoquímicos influyen de manera considerable sobre el desempeño y la selectividad de los sistemas catalíticos en la electrooxidación de los alcoholes, así como su tolerancia al envenenamiento por intermediarios de reacción adsorbidos. Asimismo, se investigó el rol de las propiedades del material soporte y la influencia de la morfología de las partículas en catalizadores no soportados. El trabajo comienza con la presentación de la síntesis de sistemas bimetálicos (PtCu) y trimetálicos (PtNiCu) de nanopartículas con estructuras definidas soportadas sobre carbón y se destaca su desempeño en la electrooxidación de etanol y glicerol. Continúa con el estudio del comportamiento de nanopartículas PtPdNi soportadas para la electrooxidación de etanol en medio alcalino y de la influencia del material soporte, comparando materiales carbonosos de diversas características texturales. También se evaluó la inclusión de fósforo como dopante en la síntesis de electrocatalizadores PtNi, para potenciar su respuesta como electrocatalizador en la oxidación de glicerol en medio alcalino. Por último, se estudió la influencia de la morfología en nanopartículas Ni(PtPd) no soportadas en la electrooxidación de etanol. Se concluye que el rendimiento de un catalizador depende de su área superficial electroactiva, pero más aún de la presencia de interacciones sinérgicas entre los componentes metálicos. A su vez, la naturaleza y características del material soporte contribuyen en gran medida al comportamiento electroquímico del material catalítico.

This thesis addresses the synthesis and characterization of anodic electrocatalysts for direct alcohol fuel cells (DAFC), specifically focusing on those fueled by ethanol and glycerol. This research is critical for developing fuel cells with competitive cost, performance, efficiency, and durability, aiming for their application as sustainable power sources in transportation, stationary systems, and portable electronic devices. To this end, the formation of Pt-based bimetallic and trimetallic nanoparticles, both supported and unsupported, was investigated, with precise control over their composition, size, and structure. The results demonstrated that these physicochemical parameters significantly influence the performance and selectivity of catalytic systems during the oxidation of alcohols, as well as their tolerance to poisoning by adsorbed reaction intermediates. Furthermore, the role of support material properties and the influence of particle morphology in unsupported catalysts were investigated. The work begins by presenting the synthesis of carbon-supported bimetallic (PtCu) and trimetallic (PtNiCu) nanoparticles with well-defined defined structures, showcasing their excellent performance in ethanol and glycerol electrooxidation. This is followed by a study on the behavior of supported PtPdNi nanoparticles for ethanol electro-oxidation in alkaline media, focusing on the influence of the support material by comparing carbonaceous materials with diverse textural characteristics. Additionally, the inclusion of phosphorus (P) as a dopant in the synthesis of carbon-supported PtNi electrocatalysts was evaluated to enhance their response for glycerol oxidation in alkaline media. Finally, the influence of particle morphology on unsupported Ni(PtPd) nanoparticles was examined in the context of ethanol electrooxidation. This research concludes that while catalyst performance depends on the electroactive surface area, it is even more dependent on the synergistic interactions between the metallic components. Furthermore, the nature and characteristics of the support material contribute significantly to the overall electrochemical behavior of the catalytic material.