Síntesis de nanoestructuras Pt-Mo/WMCNTs reducidas con química verde y su actividad electrocatalítica en la RRO

E. Torres Santillán1, M. L. Aguilar Elizalde1, S. Capula Colindres2, G. Terán Mendez2,

A. Ezeta Mejía1, O. G. Rojas Valencia1.

1Departamento de Ingeniería Química, ESIQIE-Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México., México., Teléfono (55) 5729-6000 Ext. 55143 Fax (55) 5729-55015

2Departamento de Metalurgia, CECyT 02, Ciudad de México., México., Teléfono (55) 57296000 ext. 67067estorress@ipn.mx

RESUMENNanopartículas de platino (Pt) y molibdeno (Mo) fueron soportadas sobre nanotubos de carbono multipared (MWCNTs) y reducidas por la vía química verde por el método de

impregnación húmeda. Las nanoestructuras Pt-Mo/MWCNTs se sintetizaron para determinar su actividad electrocatalítica en la reacción de reducción de oxígeno (RRO) en medio

ácido. Se compararon diferentes relaciones de Pt:Mo en porcentaje peso (0:0, 8:2, 10:0, respectivamente) de la fase activa. La morfología y la estructura de las nanopartículas y del

soporte fueron analizados por difracción de rayos X (DRX), y por microscopía electrónica de transmisión (MET). Los resultados mostraron que la reducción vía química verde de

las nanopartículas Mo y Pt presentan una buena dispersión en el soporte tubular, obteniendo tamaños entre 3 a 15 nm. Las nanoestructuras con Pt-Mo presentan una transferencia

de primer orden en la RRO, con un mecanismo directo de 4 electrones y con un beneficio máximo de corriente en la relación con contenido de Pt8Mo2 de acuerdo a los parámetros

cinéticos obtenidos.

RESULTADOS

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

La problemática ambiental y la falta de reservas en torno a las

fuentes de energía de los recursos no renovables han

impulsado la búsqueda de energías alternas. Las

investigaciones se han centrado en la búsqueda de nuevas

fuentes de energías de fácil disposición, alta eficiencia y sobre

todo que presenten baja emisión de contaminantes a la

atmósfera [1]. Una propuesta en donde se ha puesto énfasis,

es la investigación para la producción de energía limpia

empleando las celdas de combustible [2].

Las celdas de combustible de membrana de intercambio

protónico (PEMFC, por sus siglas en inglés, Polymer

Electrolyte Membrane Fuel Cell), han tenido mayor desarrollo

tecnológico dentro de las CC [3,4]. De las reacciones que se

llevan a cabo en una celda de combustible, la reacción de

reducción de oxígeno (RRO) es la reacción limitante, ya que

es 4 órdenes de magnitud más lenta que la reacción de

oxidación del hidrógeno (ROH), esto se debe a la estabilidad

de la molécula de oxígeno y al doble enlace que presenta, lo

cual requiere de un mayor potencial para que se lleve a cabo

(1.23 V). Para obtener altas conversiones en esta reacción se

utiliza el Pt y aleaciones soportados en carbono como cátodo,

ya que catalizan la RRO en un proceso que favorece la

transferencia directa de 4 electrones para formar agua; de lo

contrario sí se forman intermediarios de reacción, como el

peróxido de hidrógeno, puede generar reacciones secundarias

que a largo plazo ponen en riesgo la estabilidad de los

componentes de la celda [5]

Síntesis de nanoestructuras reducidas ruta verde/ Evaluación electroquímica

[1] F.J. Rodriguez Varela, O. Solorza Feria, and E.

Hernández Pacheco, Celdas de Combustible. 1a Edición.

Createspace, USA, p 248 (2010)

[2] M. Brown, T. Casten, Guide to Decentralized Energy

Technologies: Decentralized Energy reduces the risk of

transmission failure and of catastrophic blackouts.

Cogener Distrib Gener J. 19, 6–45 (2004)

[3] M. Höök and X.Tang, Depletion of fossil fuels and

anthropogenic climate change—A review. Energy Policy.

52, 797–809 (2013).

[4] H. M. Poggi-Varaldo, A. Martínez Reyes, J. A. Pineda

Cruz, and S.Caffarel Méndez, Libro de Ciencia y

Tecnología No. 2 “Tecnologías Solar-Eólica-Hidrógeno-

Pilas de Combustible como fuentes de energía,” 1a

Edición. Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec,

México (2009)

En este trabajo se determinó que el método de síntesis de las nanoestructuras de Pt-Mo/MWCNTs

reducidas vía química verde permiten la obtención de muestras que presentan actividad catalítica en la

RRO. La M2 presenta mayor actividad catalítica que la M3 de acuerdo con el análisis de los parámetros

cinéticos obtenidos, por lo que se determina que aunque el molibdeno presente en la M2 disminuye un

poco la densidad de corriente en las VL para la RRO, posiblemente por su mayor tamaño de partícula, el

molibdeno también permite con una relación adecuada con el Pt, una mayor eficiencia para llevar a cabo

la reducción del oxígeno, por lo que la relación Pt:Mo es un factor muy importante en la síntesis de dichas

nanoestructuras. De acuerdo con las pendientes de Tafel las nanoestructuras con PtMo/MWCNTs

presentan un mecanismo deseado de primer orden, con las mejores características cinéticas para la

muestra Pt8Mo2/MWCNTs por el menor sobrepotencial, menor pendiente de Tafel, una mayor actividad,

aunque presenta una menor densidad de corriente esto posiblemente por el mayor tamaño de partícula

que presentan las nanoestructuras.

REFERENCIAS

Caracterización estructural y morfológica

MÉTODOINTRODUCCIÓN

KOH

ERETCE

H2SO4

REWECE

Electrodo de trabajo

(ET)

Pt –Mo /MWCNTs

Pt/C-ETEK

Electrodo de referencia

(RE)

Electrodo Normal de

Hidrógeno (ENH)

Contraelectrodo

(CE)

Grafito

Electrólito 0.5 M H2S4 Solución

Tasa de barrido 5 mV/s

Rango potencial 0 mV a 1200 mV

Electrodo de trabajo

(ET)

Pt –Mo /MWCNTs

Electrodo de referencia

(RE)

Electrodo Normal de

Hidrógeno (ENH)

C

OMo

Mo

Mo

MoPtPtO

(b)(a)

50 nm 50 nm

CARACTERIZACIÓN

ESTRUCTURAL Y

MORFOLÓGICA

• DRX

• MET-EDS

EVALUACIÓN

ELECTROQUÍMICA

EN LA RRO

• Voltametría cíclica (VC)

• Voltametría lineal (VL)

• Electrodo disco (EDR)

• Pendiente de Tafel, KL

Síntesis de nanoestructuras

Pt-Mo/MWCNTs reducidas vía

química verde

Pt:Mo (0:0, 8:2 y 10:0)

Fig. 4. Voltametría lineal de las muestras M2 y M3

y su comparativo a una velocidad de 900 rpm.

Evaluación electroquímica

Fig. 5. Determinación de las pendientes de Tafel

Fig. 3. Voltamperometría cíclica de M1, M2 y M3 a una

velocidad de 50 mVs-1, último ciclo.Fig. 1. Difractogramas de las muestras M1, M2 y M3

Fig. 2 Micrografías de MET de las muestras (a) M3 y (b)

M2 y el análisis químico EDS en la parte inferior

respectivamente.

Tratamiento MWCNTsImpregnaciónreducción

Filtración

Secado