Síntesis, caracterización y evaluación de catalizadores de pt/semiconductor/c para la reacción de reducción de oxígeno

Abstract

RESUMEN: En el presente trabajo se estudio la reacción de reducción de oxígeno (RRO) sobre electrocatalizadores de Pt/C, Pt/TiO2/C, Pt/SnO2/C y Pt/ZnO/C. Se presentan los resultados de la síntesis, caracterización y evaluación electroquímica. Los eletrocatalizadores se sintetizaron por el método de impregnación, foto-depósito en fase líquida (fotólisis y fotocatálisis) y depósito químico en fase vapor (CVD). Se estudio la cinética de foto-reducción de dos precursores de Pt (a) acetil-acetonato de platino (C10H14O4Pt) y (b) ácido cloroplatínico (H2PtCl6) mediante la técnica de espectroscopía UV-Vis. Las propiedades físicas de los materiales sintetizados (cristalinidad, tamaño de cristalito, morfología, dispersión, estabilidad térmica etc.) se analizaron utilizando difracción de rayos-X, microscopias electrónica de barrido y transmisión, XPS, Espectroscopía Infrarrojo, DTA y TGA. Los electrocatalizadores sintetizados se evaluaron electroquímicamente en la reacción de reducción de oxígeno en medio ácido (H2SO4 0.5M) para determinar su actividad y estabilidad electroquímica mediante voltametría cíclica y electrodo de disco rotatorio. Tanto el tipo de precursor de Pt como el método de preparación utilizados tuvieron una marcada influencia sobre las propiedades fisicoquímicas y catalíticas. La reducción fotoquímica de los precursores de Pt se ajustó a una cinética de primer orden. La constante de reacción más lenta se obtuvo en la reducción del C10H14O4Pt, lo que produce un tamaño de partícula más pequeño y con mayor distribución homogénea sobre el carbón. Se obtuvieron nanopartículas de Pt en el intervalo de 2-10 nm, dependiendo del método de preparación y del precursor. Se evalúo el efecto del contenido de TiO2 (5%, 15% y 100%) en la actividad electrocatalítica para la RRO al utilizar nanocompósitos de Pt-TiO2-C preparados por foto-depósito en fase líquida y CVD. Se encontró mayor actividad electrocatalítica al utilizar solo 5% de TiO2, se observo que cuando se incrementa el contenido de TiO2, la actividad catalítica disminuye. .Se probaron tres diferentes óxidos (TiO2, ZnO y SnO2) en la preparación de electrocatalizadores de 10%Pt-5%TiO2-C, Pt-ZnO-C y Pt-SnO2-C mediante foto-depósito en fase líquida y CVD, los cuales se evaluaron electroquímicamente en la RRO. Se observó que independientemente del método de preparación los materiales preparados con TiO2 son electroquímicamente más activos seguidos de los que contienen SnO2. La mejor respuesta electroquímica se obtuvo con el catalizador 10%Pt-5%TiO2-C preparado por foto-depósito en fase líquida. ABSTRACT: The present work was oriented to study the oxygen reduction reaction (ORR) on Pt/C, Pt/TiO2/C, Pt/SnO2/C and Pt/ZnO/C electrocatalysts. The synthesis, characterization and electrochemical evaluation results is presented. The electrocatalysts were synthesized by impregnation, liquid phase photo-deposition (photolysis and photo-catalysis) and chemical vapor deposition (CVD) methods. The kinetics of platinum photo-reduction of two different Pt precursors (a) platinum acetylacetonate (C10H14O4Pt) and (b) chloroplatinic acid hexahydrate (H2PtCl6) was studied by UV-Vis spectroscopy technique. The physical properties of the synthesized materials (crystallinity, crystallite size, morphology, dispersion, thermal stability, etc.) were analyzed using X-ray diffraction, scanning and transmission electronic microscopy, XPS, Infrared spectroscopy, DTA and TGA. The electrocatalysts synthesized were electrochemical evaluated in the oxygen reduction reaction in acid medium (H2SO4 0.5M), the activity and electrochemical stability was determined by cyclic voltammetry and rotating disk electrode. Both the type of Pt precursor and preparation method had a marked influence on the physicochemical and catalytic properties. In the synthesis of Pt/C electrocatalyst, the photo-chemical reduction of Pt precursors was adjusted to a first order kinetics. The slower rate constant was obtained with the C10H14O4Pt precursor, showing the smallest particle size with a high distribution on the carbon. Pt nanoparticles between 2-10 nm were obtained depending of the preparation method and platinum precursor. Several samples of Pt-TiO2-C were prepared with different amount of TiO2 (5%, 15% y 100%) by liquid phase photo-deposition and CVD methods, the effect of the TiO2 loading on the ORR activity was evaluated. The highest activity was found with 10%Pt5%TiO2-C, however at increasing the amount of TiO2 a significant decrease in activity was observed. Three different catalysts 10%Pt-5%MO-C (MO=TiO2, ZnO y SnO2) were prepared by CVD and liquid phase photo-deposition for the ORR. It was observed a high activity on the Pt-TiO2-C sample independent of the synthesis method, followed by the electrocatalyst prepared with SnO2. The 10%Pt-5%TiO2-C catalyst prepared by liquid phase photo-deposition showed the best results of electrochemical activity compared with the Pt/C sample.