Estudio teórico-experimental de la reacción de reducción de oxígeno sobre electrodos bimetálicos de Au-Pt

MAURICIO D. ARCE; PAOLA M. QUAINO; JOSÉ L. FERNÁNDEZ

La Serena

Congreso; XXI Congreso de la Sociedad Iberoamericana de Electroquímica (SIBAE); 2014

Sociedad Iberoamericana de Electroquimica (SIBAE)

La reacción de reducción de oxígeno (orr), definida en medio ácido como O2 + 4 H+ → 2 H2O, se verifica en el cátodo de prácticamente la totalidad de las celdas de combustible diseñadas en la actualidad. Usualmente el electrocatalizador empleado consiste en una dispersión de nanopartículas de Pt soportadas en una matriz tridimensional de un conductor inerte. El Pt continúa siendo al día de hoy el mejor electrocatalizador conocido para la orr en cuanto a su actividad electrocatalítica, si bien se han postulado varios posibles reemplazos que, sin embargo, no han logrado aún desplazarlo. En las últimas décadas, una gran cantidad de estudios se abocaron a intentar comprender el mecanismo de esta compleja reacción, mientras que otros tantos se han enfocado en encontrar un material sustituto de este costoso metal que posea propiedades electrocatalíticas similares. En este sentido, una posibilidad no tan estudiada ha sido la de evaluar materiales bimetálicos, partiendo de la premisa de que la actividad electrocatalítica resultante puede verse incrementada respecto de las actividades electrocatalíticas individuales de los metales que la componen (efecto sinergético). En este contexto, en el presente trabajo se estudian materiales compuestos por una combinación de dos metales, uno que presenta una excelente actividad para la orr como lo es el Pt y uno que es prácticamente inerte en bajos dominios de sobrepotenciales, como lo es el Au. Se utilizan microelectrodos (MEs) como plataforma para realizar las curvas de polarización de esta reacción aprovechando las ventajas de los mismos en cuanto a la elevada velocidad de transporte desde/hacia el electrodo que permite la evaluación del material a densidades de corriente similares a las condiciones operativas que se verifican en las celdas de combustible, pudiendo a su vez modelarse con relativa simpleza los fenómenos de transporte de masa. Se intenta dar explicación a los mecanismos involucrados en la orr, desde un punto de vista teórico que involucra el desarrollo y resolución de dependencias de densidad de corriente (j) frente al sobrepotencial (h), considerando a la orr operando a través de la ruta directa y serial. Las curvas de polarización simuladas fueron contrastadas con los resultados experimentales obtenidos con el objetivo de obtener parámetros cinéticos asociados a esta reacción. Por otra parte se realiza un estudio teórico mediante el uso de la Teoría de la Funcional Densidad (DFT), en el cual se realizan simulaciones sobre 2 superficies mixtas de Pt/Au con diferentes proporciones de cada metal para intentar explicar cuál es el origen de la sinergia que se verifica entre ambos metales. Para ello se analizan los procesos de adsorción de las diferentes especies involucradas en el mecanismo (O2, OOH, O y OH), haciendo especial énfasis en qué es lo que ocurre en la región interfacial. Los estudios teóricos realizados involucran el cálculo de la energía de adsorción de dichas especies sobre diferentes sitios de adsorción, determinándose así un orden de estabilidad de las mismas. Estos datos permiten tener una idea global del posible camino de reacción en una superficie bimetálica modelo y determinar las posibles causas del efecto sinergético entre los materiales de electrodo.