Desarrollo de Electrodos Catalizados con Nanopartículas de Pt Facetadas para Celdas de Combustible de H2/O2 PEM

RAMOS SILVINA GABRIELA; CONTRERAS ÁNGELA; ANDREASEN GUSTAVO; BARSELLINI DIEGO; TRIACA WALTER

Congreso; XXI Congreso de la Sociedad Iberoamericana de Electroquímica; 2014

La forma más eficiente para utilizar la energía química del hidrógeno es su conversión directa a electricidad en celdas de combustible. Aún considerando los avances en el desarrollo de celdas de combustible de hidrógeno/oxígeno de tecnología PEM (Proton Exchange Membrane), existen pérdidas de energías asociadas a problemas de electrocatálisis de las reacciones electródicas que disminuyen la eficiencia de conversión a 50-60 %. Una de las principales limitaciones en celdas de combustible que operan a bajas temperaturas y a altas densidades de potencia, se debe a la cinética lenta de la reacción catódica de electrorreducción de oxígeno (RRO). Para reducir las pérdidas de energía asociadas, se requiere el desarrollo de materiales de electrodo con estructuras superficiales de alta actividad catalítica que permitan minimizar las pérdidas de energía relacionadas con los sobrepotenciales de electrodo, particularmente los correspondientes a la RRO y así conducir los procesos de conversión de energía a velocidad y eficiencia máximas. En este trabajo se presentan los resultados de la evaluación del comportamiento en operación de un prototipo de celda de combustible unitaria PEM de hidrógeno/oxígeno, a partir de electrodos porosos de difusión de gas de estructura superficial y composición bien definida, catalizados con nanopartículas de Pt altamente facetadas tipo (111). Se estudia el efecto de las nanopartículas de Pt tipo (111), que son las que exhiben la mayor actividad electrocatalítica para la RRO, sobre el comportamiento en operación de una celda de combustible prototipo de hidrógeno/oxígeno de tecnología PEM diseñada y construida en nuestro laboratorio. Para ello se desarrollaron electrocatalizadores de Pt con una orientación cristalográfica preferencial (ocp) bajo la forma de nanopartículas altamente facetadas, que favorecen las reacciones electródicas relacionadas con los procesos de conversión de energía, en particular la RRO. Las nanopartículas se electrodepositaron mediante una técnica de ondas cuadradas de potencial repetitivas a altas frecuencias en solución de ácido hexacloroplatínico a 25 °C sobre sustratos conductores. Los estudios de caracterización revelaron la presencia de nanopartículas de Pt con estructuras poliédricas con predominio de caras triangulares y ángulos agudos, coincidentes con el desarrollo de la ocp (111). Las nanopartículas de Pt tipo (111) se utilizaron como electrocatalizadores mezcladas con polvos de carbón Vulcan XC-72 y politetrafluoroetileno (PTFE). Se construyeron electrodos porosos de difusión de gas con un área geométrica de 4 cm2 que se utilizaron como cátodo de la celda prototipo incorporando las nanopartículas de Pt tipo (111) desarrolladas. El comportamiento en operación de la celda que utiliza electrodos con nanopartículas de Pt altamente facetadas tipo (111) se compara con la performance de  la  celda  unitaria  que utiliza electrodos porosos preparados con nanopartículas de Pt policristalinas soportadas sobre carbón Vulcan XC-72. La celda que utiliza nanopartículas de Pt facetadas tipo (111) exhibe el potencial más alto a circuito abierto, lo que sugiere un aumento de la reversibilidad de la RRO sobre este tipo de nanopartículas. En todo el intervalo de densidades de corriente y para un dado potencial de celda, las densidades de corriente obtenidas con la celda que utiliza los electrocatalizadores de Pt altamente facetados son mayores que para la celda con nanopartículas de Pt policristalinas. La mejora en el comportamiento en operación de la celda que utiliza un cátodo catalizado con nanopartículas de Pt facetadas tipo (111) es debido a que resulta favorecida la ruta de 4 electrones en la reacción global de RRO1. Esto se debe a que la presencia de este tipo de nanopartículas de Pt facetadas disminuyen el efecto de bloqueo de la superficie del electrodo por intermediarios peroxídicos producidos durante el proceso de electrorreducción de oxígeno, favoreciendo de este modo el proceso global de conversión de energía.