Preparación de electrocatalizadores de Ni y NiCo soportados en fibras de carbón modificadas con óxido de grafeno reducido para la generación de hidrógeno

Abstract

Los estragos ambientales originados por el consumo diario de combustibles fósiles son una gran preocupación a nivel mundial, y la obtención de nuevos vectores energéticos, representa un gran reto científico actualmente. Entre las tecnologías existentes, los electrolizadores alcalinos se destacan por facilitar la obtención de vectores energéticos de gran importancia, tal como el hidrógeno. Sin embargo, ciertas limitaciones catódicas restringen su uso extensivo. En el presente tratado, las limitaciones termodinámicas y cinéticas son materia de estudio debido a su importancia en la reacción de evolución de hidrógeno (HER) (Capítulo 1). Se reporta que (1) las limitaciones por difusión pueden ser reducidas a través del diseño de soportes de gran área superficial compuestas por fibras de carbón modificadas con óxido de grafeno reducido; y (2) la reducción de los sobrepotenciales de activación junto a una mejora de la cinética de reacción, mediante el diseño asistido de nanoestructuras electrocatalíticas no-nobles de Ni o NiCo, (Capítulo 2). Se determina que las características superficiales y electroquímicas de las matrices dependen del tipo de atmósfera utilizada en el proceso de carbonización. Por ejemplo, el soporte basado en fibras de algodón impregnadas con óxido de grafeno durante 15 minutos y carbonizadas en una atmosfera de argón (AR15) se destaca al registrar una elevada área superficial (1457 m2 g-1) conformada por una micro/mesoporosidad definida, un gran carácter capacitivo (218,9 F g-1) y un control difusional asociado al arreglo de poros laminares que conforman su superficie. Adicionalmente, se resalta que la síntesis e inserción asistida por cristales líquidos liotrópicos (CLLs) de los sitios electroactivos de Ni o NiCo sobre AR15; direcciona la formación de diferentes nanoestructuras policristalinas metálicas o bimetálicas, e influyó en la termodinámica y la cinética de la reacción de evolución de H2. Los sistemas electrocatalíticos Ni60 y NiCo70, siendo 60 y 70 el porcentaje en masa de Brij58/H2O presente en los CLLs, registran una reducción en el potencial onset de 160 y 230 mV, con respecto al soporte electródico AR15 (340 mV); y reportan una cinética de reacción determinada por un mecanismo tipo Tafel (35 mV dec-1) y Heyrovsky (32 + 116 mV dec-1), respectivamente (Capitulo 3 y 4). Se evidencia que el diseño de nanoestructuras policristalinas no- nobles y su inserción en una matriz electródica porosa permiten la reducción de las limitaciones termodinámicas, cinéticas y de difusión. Lo cual se traduce, en la obtención de sistemas más activos a la generación de H2.

The environmental perturbations from diary fossil fuels consumption are great engrossment to global level, as well as the search of novel energy vectors is a scientific challenge today. Among the energy conversion technologies, alkaline electrolyzers are outstanding method to get relevant energy vectors, such as hydrogen gas. However, several cathodic limitations have restricted their extensive use. Herein, thermodynamic and kinetic limitations are studied and discussed due to their importance on the hydrogen evolution reaction (HER) (Chapter 1). It is reports that (1) the electrochemical diffusion limitations can be reduced through the design of high surface area carbon supports made from carbon fibers modified with reduced graphene oxide. As well, (2) the decreasing of the activation overpotential and the improvement of the redox reaction kinetics from the assisted-synthesis of no-noble electrocatalytic Ni or NiCo nanostructures are argued (Chapter 2). Regarding the first point, it reports that both superficial and electrochemical characteristics depend on inert atmosphere used during the thermal treatment. For instance, electrochemical support from modified cotton fibers with graphene oxide during 15 minutes and thermal treated in argon atmosphere (AR15) displays 1457 m2 g-1 of specific surface area together to a great micro/mesoporosity ratio, as well as this carbon-based matrix reported a great capacitive behavior of 218,9 F g-1 and a diffusional control related to the laminar porous arrangement that covers its surface. On the other hand, both the assisted-synthesis and insertion of electro-active sites steps, on AR15 matrix, guide the formation of metallic or bimetallic polycrystalline nanostructures as well as their thermodynamic and kinetics on the hydrogen evolution reaction. For instance, Ni60 and NiCo70, for 60 and 70 Brij58/H2O wt%, respectively; show an onset potential reduction of 160 and 230 mV, in contrast to the AR15 support (-340 mV). As well, these electro-catalysts display a redox reaction kinetic determinate by a Tafel-type (35 mV dec-1) and Heyrovsky-type (32 + 116 mV dec-1) step, respectively (Chapter 3 and 4). Therefore, both thermodynamic, kinetic and diffusional limitations by the controlled design of supported no-noble nanostructure on porous carbon matrix could be reduced. In addition, it could represent an alternative way to obtain highly active electro-catalyst to the hydrogen generation.