Desarrollo de electrocatalizadores de magnetita soportadas en nanofibras de carbono para la reducción de oxígeno en medio alcalino

Abstract

En el presente trabajo se aborda el estudio de la actividad de la magnetita soportada en nanofibras de carbono hacia la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino, además se evaluó la influencia de la temperatura de síntesis de las nanofibras de carbón en su morfología, grado de ordenamiento y porosidad, y de cómo estas propiedades influencian en su labor como soporte de las nanopartículas de magnetita. Para ello, previamente se sintetizaron las nanofibras de carbono (CNF) por medio de la reducción de metano sobre un catalizador de Cu.Ni.Al a temperaturas de 600 °C y 700°C. Posteriormente, se soportaron las nanoestructuras de magnetita en el material carbonoso por método de impregnación húmeda. Luego se realizaron las caracterizaciones fisicoquímicas y electroquímicas de las muestras sintetizadas. Por otro lado, se llevó a cabo los análisis de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en medio alcalino en los materiales preparados. Para ello, se realizaron voltamperogramas lineales a distintas velocidades de rotación en un electrodo rotatorio de disco - anillo (RRDE), donde acorde a los perfiles mostrados, la ORR se da con formación de intermediaros peróxido. A su vez, se determinaron sus potenciales onset (Eonset), donde la CNF 600 - Mag (+0.68 V vs RHE) presenta un potencial onset más postivo que CNF 700 - Mag, (+0.65 V vs RHE). Además, se determinó el número de electrones transferidos (n) utilizando tanto la ecuación de Koutecky-Levich como las corrientes recolectadas del disco y de anillo del electrodo rotatorio. En el primer caso se encuentra discrepancias debido a las consideraciones presentadas en la teoría. Con el segundo método se determinó el porcentaje de anión peróxido producido (%HÜ2'), en los cuales CNF 600 - Mag y CNF 700 - Mag presentaron valores de n de 3,1 y 3,5 a sobrepontencial medio (0,5 V vs RHE) además de valores de %HÜ2- de 42 % y 27 % respectivamente. Finalmente, se analizó el mecanismo de reacción de la ÜRR a través de las pendientes obtenidas de los diagramas de Tafel. Se observaron diferentes valores de pendientes de Tafel de las cuales decrece de 95,6 a 59,1 mV dec-1 yendo de CNF 600 - Mag > CNF 700 > CNF 700 - Mag > CNF 600 > Pt/C, donde el decrecimiento de la pendiente de Tafel denota cambios en proceso que limita la velocidad de reacción (rds) de ÜRR hacia un proceso más efectivo. Por lo que acorde a los parámetros de evaluación de la electrocatálisis de ÜRR, se concluye que CNF 700 - Mag presenta mejor actividad que el CNF 600 - Mag y que se debería a aspectos estructurales y texturales del material carbonoso al cual fue soportado.

In the present work, the study of the activity of magnetite supported on carbón nanofíbers towards the oxygen reduction reaction in an alkaline medium is addressed, and the influence of the synthesis temperature of the carbon nanofibers on their morphology, degree of ordering and porosity was also evaluated, and how these properties influence its work as a support for magnetite nanoparticles. Initially, carbon nanofibers (CNF) were previously synthesized through the reduction of methane over a Cu.Ni.Al catalyst at temperatures of 600 °C and 700 °C. Subsequently, the magnetite nanostructures were supported on these carbonaceous materials by wet impregnation method. Then the physicochemical and electrochemical characterizations of the synthesized samples were carried out. In adition, the analyzes of the oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline medium were carried out on the prepared materials. For this purpose, linear voltammograms at different rotation speeds were carried out on a rotating ring - disc electrode (RRDE), where according to the profiles shown, the ORR occurs with the formation of peroxide intermediates. In turn, their onset potentials were determined (Eonset), where CNF 600 - Mag (+0.68 V vs RHE) presents a more positive onset potential than CNF 700 - Mag, (+0.65 V vs RHE). In addition, the number of transferred electrons (n) was determined using both the Koutecky-Levich equation and the currents collected from the disk and ring of the RRDE, in which in the first case, discrepancies are found due to the considerations presented in the Koutecky-Levich theory. Also, with the second method the percentage of peroxide anion produced (%HO2-) was also determined, in which CNF 600 - Mag and CNF 700 - Mag presented n values of 3,1 and 3,5 at medium overpotential. (0,5 V vs RHE) plus %HO2- values of 42% and 27% respectively. Finally, the reaction mechanism of the ORR was analyzed through the slopes obtained from the Tafel plots, in which different values of Tafel slopes were observed, which it decreased from 96,5 to 59,1 mV dec-1 going from CNF 600 - Mag > CNF 600 > CNF 700 > CNF 700 - Mag > Pt/C, where the decrease in the Tafel slope denotes changes in the process that limits the reaction rate (rds) of ORR towards a more effective process. Therefore, according to the evaluation of ORR electrocatalysis parameters, it is concluded that CNF 700 - Mag presents better activity than CNF 600 - Mag and that it would be due to structural and textural aspects of the carbonaceous material on which it was supported.