Materiales carbonosos de distinta índole para el almacenamiento y la conversión electroquímica de energía

Abstract

En este trabajo de tesis se estudian carbones porosos de diferentes características, las cuales hacen que sean aptos para su utilización en distintas aplicaciones relacionadas con el almacenamiento y la conversión electroquímica de energía. En su Introducción está contenida la motivación del trabajo, considerado como un aporte que intenta contribuir al avance del conocimiento en tópicos relacionados con recursos energéticos no convencionales y ambientalmente limpios. Debido al rol fundamental que han desempeñado los materiales carbonosos en el desarrollo de las investigaciones, consideramos conveniente hacer una breve introducción sobre el carbono, sus características, propiedades y variedades. Si bien los estudios fueron abordados desde un punto de vista fundamental, este trabajo involucra tres aplicaciones concretas, las cuales son descritas en tres capítulos diferentes. Capítulo 3: Supercapacitores Electroquímicos. Capítulo 4: Almacenamiento electroquímico de hidrógeno en NTCS – Reacción de evolución de hidrógeno. (NTCS=Nanotubos de carbono de pared simple). Capítulo 5: Primeros estudios de las vías de electrooxidación de glicerol sobre nanopartículas (NPs) de platino soportadas sobre diferentes carbones. El trabajo fue organizado de esta manera, de modo de ir desde sistemas más simples a otros más complejos. Así, en el Capítulo 3 se estudiaron algunos carbones porosos, incluyendo los utilizados en los demás capítulos, haciendo énfasis en los procesos de carga y de descarga de la doble capa eléctrica (DCE) de cada uno de los materiales estudiados y en la relación del comportamiento electroquímico con parámetros fisicoquímicos de los electrodos. Desde el punto de vista electroquímico, los estudios realizados en el Capítulo 3, comprenden una parte de los realizados en el Capítulo 4. En éste se estudia el comportamiento electroquímico de NTCS en medio KOH 6M, con el objetivo de estudiar el almacenamiento electroquímico de hidrógeno en ese material. Por lo cual, si bien está involucrada la región de DCE, parte de la cual incluye la adsorción de átomos de hidrógeno, posteriormente se hace especial énfasis en lo que ocurre a potenciales favorables para que se produzca la reacción de formación de hidrógeno molecular. En ambos capítulos se utilizaron técnicas electroquímicas básicas como la voltamperometría cíclica (VC), la cronopotenciometría (CD= de “carga-descarga”) y la espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE). Los resultados de EIE fueron interpretados en base a un modelo fisicoquímico que se describe en el Capítulo 2. Por último, en el Capítulo 5, se decoraron algunos carbones con NPs de Pt, PtSnRh y PtRuRh y se estudió la reacción de electrooxidación de glicerol (REG) sobre estos materiales, visualizando su aplicación en celdas de combustible de alcohol directo. Para ello fueron utilizadas las técnicas VC y cronoamperometría (CA). Utilizando NPs de Pt soportadas se determinaron y/o propusieron las principales vías de reacción del alcohol y la relación de éstas con el potencial del electrodo de trabajo. En esta última parte se utilizó la VC acoplada con Espectroscopia Infrarroja por Transformadas de Fourier in situ (FTIR – in situ). Fueron aplicadas diversas técnicas de caracterización como espectroscopía Raman, isotermas de adsorción de nitrógeno, medidas de conductividad eléctrica, medidas de composición elemental, microscopias de transmisión electrónica y de barrido con medidas de dispersión de rayos X y espectrometría de rayos X. Estos temas conjuntamente con la descripción de las técnicas electroquímicas y la Espectroscopia Infrarroja por Transformadas de Fourier in situ están contenidos en el Capítulo 2.