Generación de nuevos catalizadores de bajo costo: empleo de biocarbon derivado de yerba mate combinado con nanomateriales de óxidos metálicos

BERNASSANI, FLORENCIA N.; CÁCERES WENZEL M. I.; EDWARD GOMEZ-DELGADO; FIGUEREDO, FEDERICO; MARÍA JESÚS GONZALEZ-PABON; GISEL NUNELL; FUCHS JULIO S.; ANA LEA CUKIERMAN; PABLO BONELLI; CORTÓN, EDUARDO

Mar del Plata, Pcia Bs As

Congreso; XX Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales, SAM 2022; 2022

Asociación Argentina de Materiales (SAM) y la Sociedad Chilena de Metalurgia y Materiales (SOCHIM).

La aplicabilidad de sistemas bioelectroquímicos (BEs) como sistemas generadores de electricidad presenta grandes inconvenientes relacionados con los costos de producción de sus componentes como también de su respectivo tratamiento y disposición final. Una opción prometedora está basada en la implementación de biocarbón como reemplazo de otros materiales carbonosos ampliamente utilizados (negro de humo, grafito). Estos nuevos materiales son residuos pirolizados ricos en carbono que pueden ser derivados de la industria de los alimentos y agrícola (palo de yerba mate, cascara de maní, entre otros); con un proceso adecuado de “quema” y posteriores tratamientos físicos y/o químicos el biocarbón puede llegar a ser una opción sustentable y amigable con el ambiente. Estos materiales tienen una potencial aplicación en diversos elementos de BEs, ya sea como material de electrodos, membranas, mediadores, entre otros. Incluso en conjunto con catalizadores non-Pt, como óxidos metálicos, constituyen una alternativa interesante para la fabricación de cátodos de (bio) celdas de combustible. Teniendo en cuenta que la Argentina encabeza la producción mundial de yerba mate (>280000 toneladas anuales) y que en el proceso industrial el palo de yerba es removido en un gran porcentaje del producto final, se ha evidenciado la importancia de la utilización de biocarbón derivado de la yerba mate para incluirlo en BEs de modo de disminuir los costos de fabricación de estos sistemas energéticos. Por ello se plantearon los siguientes objetivos: 1) Caracterización topográfica y electroquímica de biocarbón activado proveniente de palo de yerba mate (Ilex paraguariensis) como material de electrodo, específicamente como catalizadores de la reacción de reducción del oxígeno (ORR). 2) Síntesis e incorporación de nanohilos de MnO2 o nanoflores de NiO sintetizados al sistema como catalizador en reemplazo de materiales nobles. El biocarbón fue caracterizado mediante la técnica de SEM y XPS. Los nanohilos de MnO2 fueron sintetizados por oxidación hidrotermal de MnSO4 con K2S2O8 [1], mientras que las nanoflores de NiO fueron obtenidas a partir de la precipitación de NiCl3 en medio básico [2]. La morfología nanométrica y la fase cristalina fueron confirmadas mediante mediante SEM y DRX. Para la caracterización electroquímica se empleó la técnica de voltametría cíclica en presencia y ausencia de O2 a pH 7. El electrodo de trabajo fue preparado por la técnica de dropcast sobre electrodos de carbón vítreo y se utilizaron tintas de biocarbón, nanomateriales y C/Pt al 10% como control. El biocarbón demostró tener una superficie porosa e irregular y mediante XPS se observó gran proporción de C reducido y grafítico, nitrógeno asociado a grupos pirrólicos y presencia de hierro. La caracterización electroquímica demostró que la superficie de biocarbón es reactiva al oxígeno promoviendo su reducción a potenciales más cercanos a cero (Ep= -0,12 ± 0,03 V vs Ag/AgCl2) a los observados en los ensayos control (Ep= -0,21 ± 0,02 V vs Ag/AgCl2). La corriente de pico es similar a lo observado en los controles con Pt. Si bien la reducción del oxígeno ocurre sobre materiales carbonosos a potenciales muy elevados, en este caso se vio que la reducción a potenciales mucho menores que podría estar relacionado con la presencia de N aromáticos y metales presentes en el residuo biomásico. Aunque el sistema demuestra ser eficaz, se estudiará la incorporación de los nanohilos de MnO2 o nanoflores de NiO, que junto al biocarbón se espera que se facilite la ORR. De esta manera se obtendrían catalizadores de bajo costo y amigables con el ambiente, lo cual estimula futuras investigaciones y desarrollos tecnológicos. 2. REFERENCIAS 1. Liu, X., Fu, S., Yun H., Chuan J., Synthesis, characterization and magnetic properties of β-MnO2 nanorods. Powder Technology, 2005. 154(2-3): p.124-125. 2. Lang, J. W., Kong, L. B., Wu, W. J., Luo, Y. C., & Kang, L.., Facile approach to prepare loose-packed NiO nano-flakes materials for supercapacitors. Chemical Communications, 2008. p. 4213-4215.