Fisicoquímica de materiales para celdas de combustible PEM alimentadas con metanol

• Autores: Franceschini, Esteban Andrés
• Año de publicación: 2012
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Corti, Horacio Roberto
• Materia: DMFC; CATALIZADOR MESOPOROSO; ELECTRODEPOSICION; OXIDACION DE METANOL; REDUCCION DE OXIGENO; DMFC; MESOPOROUS CATALYST; ELECTRODEPOSITION; METHANOL OXIDATION; OXYGEN REDUCTION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) alimentadas con metanol directo (DMPEM) utilizan en la actualidad como catalizadores catódico y anódico, platino y aleaciones platino/rutenio, respectivamente. Los catalizadores comerciales utilizados, están compuestos por nanopartículas de estos metales soportadas sobre partículas de carbón Vulcan XC72®. Estos catalizadores soportados presentan un bajo aprovechamiento del platino debido a que, para obtener una alta área electroquímicamente activa, se requiere la utilización de una gran cantidad de catalizador. La electrodeposición de platino y sus aleaciones con rutenio puede ser utilizada como método para obtener capas catalíticas de bajo espesor, mejorando el aprovechamiento del platino, mientras que la utilización de nanomoldes permite obtener una alta área electroquímicamente activa. En una primera etapa se consiguió sintetizar catalizadores mesoporosos utilizando como nanomolde un cristal líquido formado por un surfactante comercial, Brij 56® y un copolímero bloque comercial, Pluronic F127®. Estas síntesis mostraron ser reproducibles en diferentes soportes de electrodeposición. El diámetro de poro obtenido con la utilización del Brij 56® (entre 2,5 – 3 nm) podría dificultar el flujo del combustible y los productos de reacción dentro de los poros. Por esta razón, se sintetizaron luego catalizadores de Pt puro y cuatro aleaciones de Pt/Ru con concentración creciente de Ru utilizando como nanomolde el copolímero bloque comercial Pluronic F127® (tamaño de poro 8-10 nm). Los catalizadores obtenidos muestran una estructura estable y reproducible. Estos catalizadores mesoporosos de Pt exhiben un alto grado de conversión de oxígeno hacia la formación de H2O, es decir, una baja producción de H2O2, un producto secundario no deseado en el cátodo de pilas de combustible PEM. La caracterización electroquímica de las aleaciones de Pt/Ru demuestra que estos catalizadores tienen una alta actividad para la reacción de oxidación de metanol, que podría atribuirse a una distribución de tamaño de poro, la cual mejoraría el transporte de masa desde / hacia el área electroactiva. Una vez caracterizados, los catalizadores se ensayaron en lo que respecta a su integración en un prototipo de DMFC. Para ello primero se prepararon capas de catalizadores mesoporosos de Pt/Ru sobre carbón con estructura jerárquica de poros y tela de carbón comercial utilizando el copolímero de bloque, Pluronic F127®, como plantilla. La integración de materiales estructurados muestra un mejor rendimiento en experimentos de celdas de combustible de metanol/O2, alcanzando una potencia máxima de 8,9 mW·mg Pt- 1cm-2 a 25 ºC (~5 % mayor en comparación con materiales comerciales). En resumen, todos estos resultados indican claramente que el catalizador mesoporoso soportado sobre carbón con estructura jerárquica de poros es un sistema integrado capa difusora de gases / soporte de catalizador prometedor que podría contribuir a la miniaturización de celdas de combustibles para aplicaciones portátiles.
The proton exchange membrane (PEM) fuel cells fed with direct methanol (DMPEM) currently uses as cathode and anode catalysts, platinum and platinum / ruthenium alloys, respectively. The commercial catalysts used consist of metal nanoparticles supported on Vulcan XC72® carbon particles. These supported catalysts have low platinum utilization because, large amount of catalyst is required for obtaining high electrochemically active area. The electrodeposition of platinum and platinum / ruthenium alloys can be used as a method to obtain low thickness catalytic layers, improving the utilization of platinum, while the use of nano-templates allows high electrochemically active area. In a first stage, the synthesis of mesoporous catalysts using a liquid crystal consisting of a commercial surfactant, Brij 56® and a commercial block copolymer Pluronic F127® as nano-template was accomplished. These syntheses were shown to be reproducible in different electrodeposition supports. The pore diameter obtained with the use of Brij 56® (from 2.5 to 3 nm) could restrict the flow of fuel and reaction products within the pores. For this reason, pure Pt catalysts and four alloys of Pt / Ru with increasing Ru concentration nano-template using as the commercial block copolymer Pluronic F127® were synthesized (pore size 8-10 nm). The catalysts obtained show a reproducible and stable structure. These mesoporous Pt catalysts exhibit a high oxygen to H2O conversion degree, that is low H2O2 production, an undesired secondary product in the cathode of PEM fuel cells. The electrochemical characterization shows that these mesoporous catalysts have a high activity for methanol oxidation reaction, which could be attributed to a distribution of pore size which could improve the mass transport from/to the electroactive area. Once characterized, the catalysts were tested for integration into a DMFC prototype. Catalytic layers of mesoporous Pt/Ru were prepared on mesoporous carbon with hierarchical pore structure and commercial carbon cloth using the commercial block copolymer, Pluronic F127® as nanotemplate. The integration of structured materials results in a better performance in methanol/O2 fuel cells, reaching a maximum power of 8.9 mW·mg Pt-1cm-2 at 25 °C (~ 5% higher compared with commercial materials). In summary, these results clearly indicate that the mesoporous catalyst supported on carbon with hierarchical pore structure is a promising integrated gas diffusion layer/catalyst support which could contribute to miniaturization of fuel cells for portable applications.
Fil: Franceschini, Esteban Andrés. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.