Xerogeles de carbono como soporte de elecrocatalizadores para pilas de combustible

Los xerogeles de carbono (CXGs) son materiales porosos con una estructura reticular formada por partículas interconectadas compuestas principalmente de carbono, de forma esferoidal y tamaño nanométrico. La versatilidad de sus propiedades en cuanto a estructura, forma y textura favorece su aplicación en muy diversos campos: catálisis, conversión y almacenamiento de energía, etc. El trabajo presentado en esta memoria describe el estudio de la influencia de condiciones de síntesis de los CXGs en sus propiedades. Se analiza el efecto de la composición de la mezcla de precursores del gel de carbono y el pH sobre la estructura porosa, el ordenamiento del carbono, la química superficial así como la conductividad eléctrica. Determinadas condiciones favorecen la obtención de CXGs con una elevada porosidad y un elevado grado de entrecruzamiento. Se ha modificado la composición de los CXG con distintos heteroátomos: O, N y S, mediante oxidación, dopado y vulcanización, respectivamente. Dichos tratamientos han permitido enlazar fuertemente estos heteroátomos a la superficie del carbón, modificando propiedades como su grado de ordenación, química superficial, conductividad eléctrica y porosidad. El estudio se centra posteriormente en el uso de los CXG como soporte de electro-catalizadores basados en Pt para pilas de combustible de metanol directo. Este tipo de dispositivos convierten eficientemente la energía química de un combustible directamente en energía eléctrica. Las características del soporte determinan las propiedades de los electro-catalizadores. El uso de CXGs con elevada porosidad como soporte electro-catalítico resulta ventajoso debido a la mejora de la difusión de reactivos y productos tanto para la reacción de oxidación de metanol como para la reacción de reducción de oxígeno (ORR). La modificación de la composición de los CXG, particularmente cuando se introduce S y N en el CXG aumenta la actividad electrocatalítica particularmente para la ORR. Tanto los CXGs como los catalizadores se han sometido a procesos de degradación acelerada, observándose que es preferible emplear CXGs con porosidades intermedias para obtener catalizadores más resistentes a la degradación, a costa de una ligera menor actividad

Evaluation of the corrosion resistance of Ni(P)Cr coatings for bipolar plates by electrochemical impedance spectroscopy

Trabajo presentado en el VII Symposium on Hydrogen, Fuel Cells and Advanced Batteries (HYCELTEC 2019), celebrado en Barcelona del 1 al 3 de julio de 2019.This research has been supported by the MEC, DPI2015-69286-C3-1-R (MINECO/FEDER, UE). Technical and human support of the Materials and Surfaces service provided by SGIker (UPV/EHU/ ERDF, EU) is also appreciated

Funcionalización de xerogeles de carbono como soporte de electrocatalizadores para pilas de combustible de metanol directo

En el siguiente proyecto se ha llevado a cabo la síntesis de varios tipos de xerogeles de carbono, obtenidos modificando las condiciones de síntesis. Se ha estudiado el efecto de dichas condiciones en la conductividad eléctrica de los materiales obtenidos. Posteriormente, se han escogido tres xerogeles que se han sometido a diversos tratamientos de funcionalización con el fin de modificar su química superficial. Se ha estudiado la cantidad de grupos oxigenados que se consigue introducir en la estructura del soporte con cada tipo de tratamiento

Xerogeles de carbono como soporte de catalizadores para pilas de combustible de carbono

MEMORIA Presentada en el Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medioambiente de la Universidad de Zaragoza, para optar al grado de Doctor, por Cinthia Alegre Gresa.Zaragoza, a 28 de marzo de 2014Presentada en el departamento: 2014-03-28.--Sobresaliente cum laude.--369 págs.[EN] Carbon gels are porous materials with a reticular structure formed by interconnected spherical carbon nanoparticles. The versatility of their properties in terms of structure, form and texture favors their application in many fields: catalysis, energy conversion and storage, etc. The work presented herein deals with the study of the influence of synthesis conditions on the properties of carbon xerogels (CXGs). The study analyzes the effect of the composition of the mixture of carbon gel precursors and the pH, on the porous structure, the arrangement of carbon, the surface chemistry and the electrical conductivity. Certain conditions allow to obtain CXGs with a high porosity and a high degree of cross-linking. CXGs composition has been modified by the introduction of various heteroatoms: O, N and S, by oxidation, doping and vulcanization, respectively. Such treatments strongly bind these heteroatoms to the carbon surface, modifying properties such as their ordering degree, surface chemistry, electrical conductivity and porosity. Subsequently, the study focuses on the use of CXGs as electrocatalyst support for fuel cells. These kinds of devices directly and efficiently convert the chemical energy of a fuel to electrical energy, which has caused an increasing interest in research and development. The electrocatalysts, based on platinum supported on carbon, are responsible of this energy conversion electrochemical process. The use of carbon xerogels as electrocatalytic support is advantageous given that improves the diffusion of reactants and products. In this work, the effect of CXG as support for Pt on the electrocatalytic activity has been investigated. The support properties determine the catalyst features. The use of CXGs with high porosity as electro-catalytic support is advantageous due to the improvement of the diffusion of reactants and products, for both the methanol oxidation reaction and the oxygen reduction reaction (ORR).Changing the composition of CXGs, particularly with S and N, increases the electrocatalytic activity of catalysts, particularly for the ORR. Both CXGs and catalysts were subjected to accelerated degradation processes, noting that it is preferable to use CXGs with intermediate porosities to obtain catalysts more resistant to degradation, at the expense of a slightly lower activity.[ES] Los xerogeles de carbono (CXGs) son materiales porosos con una estructura reticular formada por partículas interconectadas compuestas principalmente de carbono, de forma esferoidal y tamaño nanométrico. La versatilidad de sus propiedades en cuanto a estructura, forma y textura favorece su aplicación en muy diversos campos: catálisis, conversión y almacenamiento de energía, etc. El trabajo presentado en esta memoria describe el estudio de la influencia de condiciones de síntesis de los CXGs en sus propiedades. Se analiza el efecto de la composición de la mezcla de precursores del gel de carbono y el pH sobre la estructura porosa, el ordenamiento del carbono, la química superficial así como la conductividad eléctrica. Determinadas condiciones favorecen la obtención de CXGs con una elevada porosidad y un elevado grado de entrecruzamiento. Se ha modificado la composición de los CXG con distintos heteroátomos: O, N y S, mediante oxidación, dopado y vulcanización, respectivamente. Dichos tratamientos han permitido enlazar fuertemente estos heteroátomos a la superficie del carbón, modificando propiedades como su grado de ordenación, química superficial, conductividad eléctrica y porosidad. El estudio se centra posteriormente en el uso de los CXG como soporte de electro-catalizadores basados en Pt para pilas de combustible de metanol directo. Este tipo de dispositivos convierten eficientemente la energía química de un combustible directamente en energía eléctrica. Las características del soporte determinan las propiedades de los electro-catalizadores. El uso de CXGs con elevada porosidad como soporte electro-catalítico resulta ventajoso debido a la mejora de la difusión de reactivos y productos tanto para la reacción de oxidación de metanol como para la reacción de reducción de oxígeno (ORR). La modificación de la composición de los CXG, particularmente cuando se introduce S y N en el CXG aumenta la actividad electrocatalítica particularmente para la ORR. Tanto los CXGs como los catalizadores se han sometido a procesos de degradación acelerada, observándose que es preferible emplear CXGs con porosidades intermedias para obtener catalizadores más resistentes a la degradación, a costa de una ligera menor actividad.The authors gratefully acknowledge the financial support by the Spanish Ministry of Science and Innovation (MICINN) and FEDER through project MAT2008-06631-C03-01.The authors also want to thank the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Secretaría de Estado de I+D+I, previously MICINN) and FEDER for financial support under the project CTQ2011-28913-C02-01. Authors also thank the financial support of the bilateral CNR (Italy)—CSIC (Spain) joint agreement 2011–2012 (project Baglio/Lazaro 2010IT0026), along with the financial support of the Government of Aragón through the project PM042/2007.Peer reviewe

Mesoporous Fe-C-S composites as electroactive materials for the negative electrode of an Iron-Air battery

1 figure.-- Talk delivered at the CESEP’19 Conference: 8th International Conference on Carbon for Energy Storage and Environment Protection, October 20-24th, Alicante (Spain).-- © Universidad de Alicante.Iron-air batteries (IAB) –which generate electricity from the oxidation of iron in the negative electrode and the reduction of ambient oxygen at the positive electrode– are foreseen as promising devices, due to their low cost and high specific energy, among other characteristics. The negative electrode of these batteries presents some challenges, especially related to the unwanted hydrogen evolution reaction (HER), that can be partially solved by adding sulfurbased additives [1]. Herein, we prepared mesoporous sulfur doped iron oxides and mixed them with a commercial carbon to form Fe/C composites as the electroactive material for the negative electrode of an IAB.The authors acknowledge the MICINN and FEDER for the received funding in the project Ref. ENE2017-83976-C2-1-R, as well as to the Gobierno de Aragón (DGA) for the funding to Grupo de Investigación Conversión de Combustibles (T06_17R) and the PhD scholarship of author N. Villanueva.Peer reviewe

PtRu nanoparticles deposited by the sulfite complex method on highly porous carbon xerogels: effect of the thermal treatment

13 páginas, 5 figuras, 4 tablas.Highly porous carbon xerogels (CXGs) were synthesized to be used as support for PtRu nanoparticles. Metal particles were deposited on CXGs by means of the sulfite complex method for the first time. Catalysts so-obtained were submitted to thermal treatment in H2, at different temperatures, in order to increase the particle size and thus the intrinsic activity. Physico-chemical characterizations included N2 physisorption, X-Ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and transmission electron microscopy. Highly dispersed alloyed PtRu particles were obtained, with crystal sizes ranging from 1.6 to 2.0 nm. PtRu-catalysts were tested in half-cell for the methanol oxidation reaction (MOR). The resulting thermal treatment was effective in increasing both particle size and catalytic activity toward MOR.The authors wish to thank the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Secretaría de Estado de I+D+I) and FEDER for financial support under the project CTQ2011-28913-C02-01. Authors also thank the financial support of the bilateral CNR (Italy)—CSIC (Spain) joint agreement 2011–2012 (project Baglio/Lazaro 2010IT0026). CNR-ITAE authors acknowledge the financial support of PRIN 2010-11 project “Advanced nanocomposite membranes and innovative electrocatalysts for durable polymer electrolyte membrane fuel cells (NAMED-PEM)”.We acknowledge support by the CSIC Open Access Publication Initiative through its Unit of Information Resources for Research (URICI).Peer reviewe

Influence of the synthesis method for Pt catalysts supported on highly mesoporous carbon xerogel and vulcan carbon black on the electro-oxidation of methanol

Platinum catalysts supported on carbon xerogel and carbon black (Vulcan) were synthesized with the aim of investigating the influence of the characteristics of the support on the electrochemical performance of the catalysts. Three synthesis methods were compared: an impregnation method with two different reducing agents, sodium borohydride and formic acid, and a microemulsion method, in order to study the effect of the synthesis method on the physico-chemical properties of the catalysts. X-ray diffraction and transmission electron microscopy were applied. Cyclic voltammetry and chronoamperometry were used for studying carbon monoxide and methanol oxidation. Catalysts supported on carbon xerogel presented higher catalytic activities towards CO and CH3OH oxidation than catalysts supported on Vulcan. The higher mesoporosity of carbon xerogel was responsible for the favored diffusion of reagents towards catalytic centers.The authors wish to thank the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Secretaría de Estado de I+D+I) and FEDER for financial support under the project CTQ2011-28913-C02-01. We acknowledge support by the CSIC Open Access Publication Initiative through its Unit of Information Resources for Research (URICI).Peer Reviewe

Materiales compuestos de nanoestructuras de carbono y nanofilamentos de manganeso como electrocatalizadores bifuncionales de oxígeno

1 figura.-- Resumen de la comunicación oral presentada en la XV Reunión del Grupo Español del Carbón, 24-27 abril 2022, Granada (España).-- O37.-- D.L. GR 695-2022Las baterías hierro-aire son sistemas prometedores para el almacenamiento de energía, debido a su bajo coste, seguridad y elevadas energías específicas. Estas baterías constan de un electrodo negativo, donde ocurre la oxidación y reducción del hierro, y un electrodo positivo (o electrodo de aire), donde ocurren la evolución (OER) y reducción (ORR) de oxígeno. Estas reacciones, al ser lentas, requieren de la presencia de un catalizador bifuncional. Los óxidos de manganeso son catalizadores activos para estas reacciones, pero son poco conductores. En este trabajo se propone la síntesis de materiales compuestos de nanoestructuras de carbono - nanofibras de carbono (CNF), nanotubos de carbono (CNT) y óxido de grafeno reducido (rGO) - y de dióxido de manganeso (MONW), que se probaron como electrocatalizadores bifuncionales de oxígeno.Los autores agradecen al Ministerio de Ciencia e Innovación de España y a la AEI (MICIN/AEI/10.13039/501100011033) por la financiación recibida en relación al proyecto PID2020-115848RB-C21, así como al Gobierno de Aragón por la financiación al grupo T06-20R y a la beca predoctoral del Sr. Villanueva.Peer reviewe

Carbon xerogels electrochemical oxidation and correlation with their physico-chemical properties

10 Figuras, 8 Tablas.-- Material suplementario disponible en línea en la página web del editor.The electrochemical oxidation of carbon represents a relevant limitation for the application of carbon-based materials at the electrodes of several electrochemical devices, like fuel cells, metal-air batteries, water electrolyzers or supercapacitors. Understanding the key influencing parameters is thus of paramount importance to prevent and avoid the degradation of carbon materials. In the present investigation, carbon xerogels (CXGs) as a model of synthetic amorphous carbon, were studied on the basis of different surface chemistry and structure. Electro-oxidation experiments consisted of potential holding (1.2 V vs. RHE) on electrodes prepared with CXGs. The results indicate that the presence of oxygen groups (-C-O) and a higher ordering degree hinder the carbon oxidation reaction. A sub-structural parameter considering both the amount of oxygen-free carbon atoms (C-C + C*-C-O) from X-ray photoelectron spectroscopy, and the disordering degree from Raman spectra (in terms of ID/IG) is here proposed as a new factor to evaluate the tendency of an amorphous carbon material, like xerogels, to be electrochemically oxidized.Authors acknowledge financial support given by Spanish Ministry of Science, Innovation and University (MICINN) through project ENE2017-83976-C2-1-R (co-founded by FEDER) and from Aragón Government to the Fuel Conversion Group. C. Alegre and D. Sebastián acknowledge also MICINN for their Juan de la Cierva (FJCI-2015-25560) and Ramón y Cajal (RyC-2016-20944) research contracts, respectively.Peer reviewe

Catalizadores basados en carbono y metales no nobles para aplicaciones energéticas

[EN] Carbon nanostructures have received increasing attention in electrocatalysis due to their surface electronic configuration with abundant π electrons which are beneficial for electron demanding reactions, like those occurring in electrochemical devices for the conversion or storage of energy, such as supercapacitors, batteries or fuel cells. While rechargeable batteries directly store and discharge electric power, fuel cells continuously convert the chemical energy of a fuel like hydrogen into electricity and heat. Both systems, along with supercapacitors, represent the ideal solution for non-polluting and highly efficient vehicles and power consumers. However, there are still some remaining technical challenges that these devices have in common: cost and durability are still far from practical application. In particular, some types of batteries and fuel cells share the common problem associated to the sluggishness of the oxygen reduction reaction (ORR). The ORR is the limiting process, determining the efficiency of these devices and requiring the use of noble metals of the platinum group (PGM) at the electrodes. Among the several strategies to replace PGM, doped carbon materials are a recent and unexplored alternative with great perspectives in terms of cost and availability, but yet poor activity and stability. In particular, graphene structures are expected to allow for the enhancement of the catalytic activity derived from its peculiar 2D morphology. There is still a great and recent controversy about the nature of active sites and the influence of non-noble metals like Fe or Co on the electro-catalytic activity. In any case, the presence of low atomic weight atoms, like nitrogen, as dopants in the catalyst matrix is essential to confer appropriate oxygen adsorption characteristics and sufficient catalytic activity. In this work, we will review the huge rise of research works on these catalysts for electrochemical devices in energy applications, in particular fuel cells and metal-air batteries.[ES] Las nanoestructuras de carbono han recibido una atención creciente en electrocatálisis debido a su configuración electrónica con abundantes electrones π que son beneficiosos para las reacciones que demandan electrones, como las que ocurren en dispositivos electroquímicos para la conversión o almacenamiento de energía, como baterías o pilas de combustible. Mientras que las baterías recargables almacenan y descargan directamente la energía eléctrica, las pilas de combustible convierten de modo continuo la energía química de un combustible como el hidrógeno en electricidad y calor. Ambos sistemas representan la solución ideal para vehículos y dispositivos que consumen energía, ya que son no contaminantes y son altamente eficientes. Sin embargo, aún quedan algunos desafíos técnicos que estos dispositivos tienen en común: su coste y durabilidad aún están lejos de resultar prácticos para su comercialización. La baja cinética de la reacción de reducción de oxígeno, que tiene lugar en el cátodo de las pilas de combustible, o en el electrodo positivo en algunos tipos de baterías, es un proceso limitante, que requiere el uso de electrodos basados en metales nobles como los del grupo del Pt (PGM). Los PGM son elementos escasos y con un coste muy elevado. Entre las diversas estrategias para reemplazar los PGM, los materiales de carbono dopados son una alternativa reciente y poco explorada, con excelentes perspectivas en términos de coste y disponibilidad, pero todavía no se ha alcanzado actividad y estabilidad suficiente. En particular, se espera que las estructuras basadas en grafeno permitan la mejora de la actividad catalítica derivada de su peculiar morfología 2D. Todavía hay una gran controversia sobre la naturaleza de los sitios activos y la influencia de los metales no nobles como Fe o Co en la actividad electro-catalítica. En cualquier caso, la presencia de átomos de bajo peso atómico, como el nitrógeno, como dopantes en la matriz carbonosa, es esencial para conferir características de adsorción de oxígeno apropiadas y suficiente actividad catalítica. En este trabajo, revisaremos el creciente interés en estos catalizadores para dispositivos electroquímicos con aplicaciones en energía.Peer reviewe