Preparación y caracterización de materiales catalíticos para una celda de combustible metanol directo. Análisis del desempeño de un prototipo

Abstract

En este trabajo de tesis se estudió la Celda de Combustible de Metanol Directo (DMFC), un dispositivo electroquímico de conversión eficiente de energía, como una alternativa promisoria y limpia de generación de electricidad. En primer lugar, se contextualiza el problema y se desarrolla el marco teórico correspondiente. Luego, en base a los inconvenientes que aún hoy presentan las DMFCs, se enfoca en la búsqueda de estrategias tendientes a resolver potencialmente estos problemas. Se investigó intensamente la parte más importante, que es conocido como el "corazón" de la celda, esto es, el ensamble Electrodo-Membrana-Electrodo (MEA). El estudio abarcó gran parte de los componentes que la constituyen. Se trabajó en el desarrollo y caracterización de nuevos materiales electrocatalíticos nanoestructurados para ser utilizados como material de electrodo en el ánodo de la DMFC. Se logró conseguir nanopartículas con alta actividad para la electrooxidación de metanol (MOR). Por otro lado, el estudio se enfocó en la mejora del cátodo de la DMFC. En este caso, el catalizador debe presentar buenas prestaciones para la reacción de electroreducción de oxígeno (ORR). Sin embargo, debido a un fenómeno indeseable que ocurre en la DMFC, conocido como crossover de metanol (pasaje de metanol del ánodo al cátodo), su desempeño se ve degradado rápidamente. Cuando el metanol se encuentra presente en el cátodo, genera un potencial mixto debido a la ocurrencia en simultáneo de la ORR y la MOR sobre la superficie del catalizador de ese electrodo. Es por ello que los materiales para el cátodo desarrollados en este trabajo de investigación tuvieron como premisa, además, ser tolerantes a la presencia de metanol. Al mismo tiempo, se evaluó la durabilidad de la performance de estos materiales para la ORR y para la tolerancia al metanol a periodos largos de operación. Esto se llevó a cabo mediante un procedimiento electroquímico de degradación acelerada. Todos los catalizadores sintetizados como material de electrodo, tanto catódicos como anódicos, fueron caracterizados fisicoquímicamente mediante técnicas tales como EDS, XPS, HRTEM, entre otras. En cuanto a la evaluación electroquímica de los materiales desarrollados, el mismo se llevó a cabo en dos etapas; inicialmente fueron estudiados en una celda electroquímica convencional de tres electrodos (hemicelda) y, posteriormente, en un prototipo de DMFC diseñada para tal fin. Para el estudio en la celda de combustible se desarrollaron numerosos ensambles MEAs, tanto con los materiales sintetizados en el laboratorio como con materiales catalíticos comerciales empleados como referencias.