Síntesis y caracterización de polímeros de coordinación (MOFs) y derivados con aplicación en celdas de combustible y electrolizadores

ANA KATHERINE DÍAZ-DURÁN, GUIDO IADAROLA-PÉREZ, FEDERICO A. VIVAFEDERICO RONCAROLI

Buenos Aires

Encuentro; CaracterizAR 2020 ? Caracterización de Materiales 1er Encuentro Virtual; 2020

UBA - CONICET

Los polímeros de coordinación (MetalOrganic Frameworks, MOFs), están formados por centros metálicos coordinados porligandos (orgánicos) puente formando estructuras mono-, bi- o tridimensionalesporosas y usualmente cristalinas. Se sintetizaron MOFs de Cobalto con losligandos: 2-metilimidazolato, nicotinato, pirazincarboxilato ypirazindicarboxilato, los cuales fueron caracterizados por XRD y TGA. Sepirolizaron a 700 °C o 900 °C. Durante este tratamiento, los ligandos generaronuna matriz carbonosa dopada con nitrógeno, y los iones Co2+ fueronreducidos a nanopartículas metálicas o incorporados como sitios CoNxal material. Finalmente mediante un tratamiento ácido (0.5 M H2SO4)se eliminaron parcialmente las partículas metálicas dejando poros nanométricosaccesibles al solvente. Los nuevos materiales así preparados se caracterizaronpor técnicas espectroscópicas (Raman, XPS, EDX). Las microscopías electrónicas(TEM y SEM) revelaron distintas morfologías (esponjas, varas, poliedros y esferas) dependiendo del ligando empleado, con poros de 3 ?100 nm, confirmado por porosimetría de absorción de N2.  Mediante técnicas electroquímicas se evaluó la actividad catalítica de estos materiales frente alas Reacciones de Reducción de O2 (ORR), Evolución de O2,(OER) y Evolución de H2 (HER).Los electrolizadores son dispositivoselectroquímicos que utilizan corriente eléctrica para descomponer el agua en H2y O2. Estos dispositivos son útiles para convertir energíaproveniente de fuentes renovables e intermitentes (ej.: solar, eólica, etc). Ladescomposición de agua está formada por: la HER y la OER. Ambas reacciones ocurren sobre electrodosrecubiertos con catalizadores (típicamente metales nobles). El H2producto de dicha reacción puede ser almacenado y consumido posteriormente enuna celda de combustible. Los catalizadores obtenidos con Co 2-metilimidazolatoy pirazindicarboxilato a 700 oC (sin tratamiento ácido) produjeronuna corriente de 10 mA cm-2 a -0.23 V vs RHE para HER y 1.55 V vsRHE para la OER. Estos catalizadores se caracterizaron por espectroscopia Ramany SEM después de 5 hs de operación.Elcatalizador de mayor actividad frente la ORR fue el derivado de Copirazindicarboxilato (700 oC, tratamiento ácido), obteniéndose losparámetros electrocinéticos: Eeq= 0.907 V vs RHE (1.0 V para Pt), jo= 10 mA cm-2, pendiente de Tafel= 82 mV dec-1, 10% rendimiento en H2O2 (0.5 MH2SO4). Los resultados de los distintos materialespudieron interpretarse enfunción del contenido de nitrógeno, superficie específica y distribución deporos. Estos catalizadores presentaron alta tolerancia al metanol (0.05 M) yalta durabilidad (3000 ciclos de voltametría). Las celdas de combustible tipo PEM(proton-exhcange-membrane) funcionan a baja temperatura (50?100 °C), empleandoH2 y O2, y son una alternativa al uso de combustiblesfósiles. Los tres mejores catalizadores, (derivados de Co pirazindicarboxilato,2-metilimidazol y nicotinato, 700 oC), fueron usados para construircátodos en celdas PEM. Después de optimizar la carga y la formulación de loscatalizadores, pudo alcanzarse con el catalizador derivado de Copirazindicarboxilato, una potencia máxima de 0.26 W cm-2, comparablea la del Pt 20 % que fue de 0.34 W cm-2. La celda con el catalizadorde Co tuvo una durabilidad de más de 500 horas, sin observarse cambiossignificativos en intensidad de corriente y diferencia de potencial. Amboselectrodos de la celda se caracterizaron postmortem (500 hs operación) por SEM, XRD, XPS y mapeo EDX.