Desarrollo de electrocatalizadores anódicos para celdas de combustible de etanol directo

Abstract

Con el fin de optimizar el funcionamiento de las celdas de combustible de etanol directo (DEFCs), se han investigado distintos materiales carbonosos como soportes y combinaciones metálicas para los electrocatalizadores anódicos. Los carbones destacan por sus propiedades estructurales, químicas y electrónicas. Por su parte, el platino (Pt) es ampliamente utilizado por su alta capacidad deshidrogenante. Sin embargo, su susceptibilidad al envenenamiento por CO justifica la incorporación de un segundo metal. En este contexto, el renio (Re) ha demostrado ser un promotor eficaz para facilitar la ruptura del enlace C–C a bajas temperaturas, promoviendo la oxidación completa del etanol. Esta Tesis se organizó en tres ejes: I) síntesis y funcionalización de materiales carbonosos; II) preparación de catalizadores monometálicos de Pt y bimetálicos de PtRe; y III) evaluación de los catalizadores seleccionados en una DEFC prototipo. En el primer eje, se prepararon cuatro tipos de soporte: i) carbón mesoporoso, ii) carbón activado a partir de cáscara de arroz, iii) polianilina carbonizada, y iv) polianilina con nanotubos de carbono posteriormente carbonizada. Los dos primeros, a su vez, fueron funcionalizados con HNO3, H2O2 y urea. Se los caracterizó mediante técnicas estructurales, térmicas y eléctricas. El segundo eje comprendió la preparación de catalizadores de Pt y PtRe por el método de poliol, variando la carga de Re, y su caracterización físico y electroquímica. Finalmente, los catalizadores más prometedores se evaluaron en una celda prototipo a dos temperaturas diferentes para estudiar su desempeño en condiciones operativas cercanas a las reales.

In order to optimize the performance of direct ethanol fuel cells (DEFCs), various carbonaceous materials have been investigated as catalyst supports, along with different metallic combinations for anodic electrocatalysts. Carbons stand out due to their favorable structural, chemical, and electronic properties. Platinum (Pt), in turn, is widely used for its high dehydrogenation capacity. However, its susceptibility to CO poisoning justifies the incorporation of a second metal. In this context, rhenium (Re) has proven to be an effective promoter, facilitating C–C bond cleavage at low temperatures and thus promoting the complete oxidation of ethanol. This Thesis is structured around three main axes: I) synthesis and functionalization of carbonaceous materials; II) preparation of monometallic Pt and bimetallic PtRe catalysts; and III) evaluation of the selected catalysts in a prototype DEFC. In the first axis, four types of supports were prepared: i) mesoporous carbon, ii) activated carbon derived from rice husk, iii) carbonized polyaniline, and iv) polyaniline with multi-walled carbon nanotubes, also subjected to carbonization. The first two supports were further functionalized using HNO3, H2O2, and urea. All supports were characterized using structural, thermal, and electrical techniques. The second axis involved the preparation of Pt and PtRe catalysts via the polyol method, varying the Re content, followed by physicochemical and electrochemical characterization. Finally, the most promising catalysts were evaluated in a prototype fuel cell at two different operating temperatures in order to assess their performance under conditions close to real operation.