Estudio teórico y experimental de materiales nanoestructurados en la zona de tres fases de celdas de combustible de membrana polimérica

• Autores: Jiménez García, Juan Carlos
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Mariscal, Marcelo M.; Franceschini, Esteban Andrés; Brunetti, Verónica; Fracaroli, Alejandro Matias; Scherlis Perel, Damián
• Materia: Celda de combustible; Electroquímica; Polímeros; Nanopartículas del metal
• Institución: Universidad Nacional de Córdoba

Tesis (Doctor en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2024
Fil: Jiménez García, Juan Carlos. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.
Esta tesis doctoral ha abordado de manera exhaustiva la caracterización y comprensión de diversos aspectos relacionados con la zona de tres fases de una celda de combustible de membrana polimérica, utilizando simulaciones atomísticas y caracterizaciones experimentales. Se exploraron los diferentes factores que pueden influir en el área electroquímicamente activa de las nano partículas metálicas. Además, se investigó el comportamiento del agua en distintos materiales carbonosos en la zona de tres fases. Como objetivo final, se evaluaron las propiedades de transporte de los gases H2 y O2 en la zona de tres fases con el propósito de mejorar el diseño y el rendimiento de este dispositivo de conversión de energía. Los resultados de este trabajo resaltan la importancia de considerar las facetas cristalinas al evaluar el área electroquímicamente expuesta, permitiendo predecir el área sin necesidad de mediciones adicionales, lo cual es especialmente relevante en sistemas donde la medición experimental complicada. Los estudios teóricos y experimentales en un modelo más complejo que evaluó sistemas de Nafion® hidratado/Pt/C revelaron que niveles elevados de Nafion® reducen la eficiencia catalítica, y se identificó un contenido óptimo para maximizar la utilización del catalizador. Asimismo, se exploró como el Nafion® y la hidratación afectan la utilidad del catalizador, revelando que una disminución en la hidratación aumenta la ocupación de grupos sulfónicos en las nano partículas, lo que impacta en el área catalíticamente activa. Por otro lado, el análisis del comportamiento del agua en sistemas hidratados con Nafion® y Pt mostro la formación de canales facilitados por el Nafion®, mejorando la movilidad del agua en sistemas con un 20-30% de Nafion®. En los sistemas en presencia de carbonosos meso porosos (poros entre2-50nm de diámetro), se identificaron regiones de difusión distintas con coeficientes más altos en la parte interna de los poros de estudio entre 6 y 9 nm de diámetro. Finalmente, la inclusión del estudio de gases (H2 y O2) en la zona de tres fases resaltó el papel crucial del Nafion® en la difusión y permeabilidad de los gases, definiendo un rango óptimo de contenido del ion omero para mejorar las propiedades de transporte de los gases. Esta tesis extiende la comprensión de la zona de tres fases en celdas de combustible desde una perspectiva teórico-experimental, abordando aspectos como la estructura cristalina del metal, el impacto del Nafion® y la hidratación en relación a la eficiencia del catalizador, el comportamiento del agua en sistemas hidratados y la influencia del Nafion® en el transporte de gases. Este trabajo sienta las bases para investigaciones futuras, fomentando la búsqueda de un mejor rendimiento y durabilidad de las celdas de combustible de hidrógeno.
2026-02-28
Fil: Jiménez García, Juan Carlos. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina.