Oxidación electroquímica de grafito y su aplicación como soporte de nanopartículas de pt para la reacción de reducción de oxígeno (RRO) en celdas de combustible

En este trabajo se presenta la síntesis del óxido de grafito mediante un método electroquímico, usando como electrolitos: H2SO4, H3PO4 y HNO3. Posteriormente, el grafito electroquímicamente oxidado (GEO-H2SO4, GEOH3PO4 y GEO-HNO3) fue usado como soporte de nanopartículas de platino (Pt) las cuales fueron sintetizadas por el método de reducción química de sales metálicas. Se estudió el efecto de la oxidación del soporte en la dispersión de las nanopartículas y se evaluó la respuesta catalítica hacia la reacción de reducción de oxígeno (RRO) de los diferentes catalizadores mediante la técnica electrodo disco rotatorio (EDR). Para efectos de comparación las nanopartículas de Pt también fueron sintetizadas sobre carbón Vulcan (Pt/CV) y sobre carbón Vulcan oxidado (Pt/CVO). Los catalizadores Pt/GEO-H2SO4 y Pt/CV presentaron mejor actividad catalítica hacia la RRO de acuerdo con los resultados electroquímicos. A estos materiales se les realizó pruebas de estabilidad. Finalmente, el catalizador que resulto ser más estable y activo hacia la RRO fue el Pt/GEO-H2SO4, motivo por el cual fue utilizado como cátodo en un ensamble membrana-electrodo y se evaluó su desempeño en una mono-celda de combustible. Cabe mencionar que las propiedades físicas y morfológicas de los diferentes soportes y catalizadores se evaluaron a través de técnicas como difracción de rayos x (DRX), espectroscopía Raman, espectroscopía foto electrónica de rayos x (XPS), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), área superficial BET y conductividad eléctrica. La tesis se divide en 5 capítulos: el primero se revisan trabajos de investigación previos que se relacionan a este proyecto (antecedentes). Se describe también el planteamiento del problema, la justificación y objetivos. En el capítulo dos se describe los conceptos básicos que sustentan la propuesta del trabajo de investigación. En el capítulo 3 (metodología experimental) se describe el procedimiento para síntesis del GEO y de los diferentes catalizadores. Se describe también los materiales, reactivos y equipos utilizados en las diferentes etapas. El capítulo 4 corresponde a la serie de resultados obtenidos a partir de las síntesis, las técnicas de caracterización y de las pruebas electroquímicas. En el capítulo 5 se presentan las conclusiones y perspectivas correspondientes para esta tesis. Finalmente, se anexa las referencias consultadas y una sección de apéndices que complementan este trabajo de investigación.

In this work, the synthesis of graphite oxide is presented by an electrochemical method, using as electrolytes: H2SO4, H3PO4 y HNO3. Subsequently, the electrochemically oxidized graphite (EOG-H2SO4, EOG-H3PO4 y EOG-HNO3), was used as a support for platinum nanoparticles (Pt) synthesized by the method of chemical reduction of metal salts. The effect of support oxidation on the dispersion of the nanoparticles was studied, and the catalytic response towards the oxygen reduction reaction (ORR) of the different catalysts was evaluated by means of the rotating disc electrode (RDE) technique. For comparison Pt nanoparticles were also deposited on Vulcan carbon (Pt/VC) and oxidized Vulcan carbon (Pt/OVC). The catalysts Pt/EOG-H2SO4 and Pt/VC presented better catalytic activity according to the electrochemical results. Stability tests were performed on these materials. Finally, the catalyst more stable and active towards the RRO was the Pt/EOG-H2SO4. For this reason, it was used as a cathode in a membrane-electrode assembly (MEA) and its performance in a single fuel cell was evaluated. It should be mentioned that the physical and morphological properties of the support and the catalysts were evaluated through X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy. (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), BET surface area and electrical conductivity. This work is divided into 5 chapters, the first corresponds to the background where previous research works that relate to this project are reviewed. It also describes the approach of the problem, the justification and objectives. In chapter two the basic concepts that support the proposal of the research work are described. Chapter 3 (experimental methodology) describes the procedure for the synthesis of electrochemically oxidized graphite and of the different catalysts. Also describes the materials, reagents and equipment used in the different stages. Chapter 4 corresponds to the series of results obtained from the synthesis, the characterization techniques and the electrochemical tests. In chapter 5, corresponding to the conclusions and perspectives for this thesis are presented. Finally, the references consulted and a section of appendices that complement this research work are attached.