{"id":132863,"date":"2016-01-27T17:26:49","date_gmt":"2016-01-27T16:26:49","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=132863"},"modified":"2016-01-27T17:26:49","modified_gmt":"2016-01-27T16:26:49","slug":"materiales-carbonosos-dopados-con-n-como-catalizadores-para-pilas-de-combustible","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2016\/01\/27\/132863","title":{"rendered":"Materiales carbonosos dopados con N como catalizadores para pilas de combustible"},"content":{"rendered":"<p><strong><span style=\"color: #000000;\">[Autor: Manuel Montiel-Universidad Aut\u00f3noma de Madrid]<\/span><\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Las pilas de combustible de baja temperatura alimentadas con hidr\u00f3geno o alcoholes de baja masa molecular son dispositivos capaces de producir electricidad de manera efectiva mediante la oxidaci\u00f3n del hidr\u00f3geno\/alcohol en el \u00e1nodo y la reducci\u00f3n de ox\u00edgeno en el c\u00e1todo. Tradicionalmente, como c\u00e1todo, se han empleado catalizadores de Pt o aleaciones como PtCo, debido a su alta actividad en la reacci\u00f3n de reducci\u00f3n de ox\u00edgeno (ORR). Sin embargo, son conocidos algunos inconvenientes que presentan estos materiales adem\u00e1s de su alto precio, como la baja tolerancia a los alcoholes o la degradaci\u00f3n de los catalizadores en las condiciones de operaci\u00f3n. <\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">\u00a0<img decoding=\"async\" class=\"aligncenter  wp-image-132866\" style=\"width: 300px; height: 184px;\" title=\"Imagen1\" src=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/files\/2016\/01\/Imagen16-300x133.jpg\" alt=\"\" width=\"300\" height=\"133\" srcset=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/files\/2016\/01\/Imagen16-300x133.jpg 300w, https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/files\/2016\/01\/Imagen16.jpg 500w\" sizes=\"(max-width: 300px) 100vw, 300px\" \/><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><em><span style=\"color: #000000;\">Reprinted with permission from Jintao Zhang, Liming Dai. ACS Catalysis. 2015;5:7244\u221253. Copyright 2015, American Chemical Society<\/span><\/em><span style=\"color: #000000;\"><br \/>\n<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Durante los \u00faltimos a\u00f1os se han encontrado algunas alternativas al uso de catalizadores derivados de Pt, entre las que se puede destacar los materiales carbonosos dopados con hetero\u00e1tomos tales como B, S, N o P <\/span><span style=\"color: #000000;\">[<\/span><a title=\"Antolini, 2016 #11\" href=\"file:\/\/\/C:\/Users\/carmen.perez\/Desktop\/Manuel%20Montiel_27.01.16.docx#_ENREF_1\">1-4<\/a><span style=\"color: #000000;\">]<\/span><span style=\"color: #000000;\">. Estos materiales presentan buena actividad frente a la ORR, especialmente en medio alcalino, adem\u00e1s de tolerancia a los alcoholes y gran estabilidad electroqu\u00edmica. De \u00e9stos, los materiales dopados con nitr\u00f3geno (NC) son unos buenos candidatos para su uso como c\u00e1todos en pilas de combustible de baja temperatura. La presencia de \u00e1tomos de N en la red de carbono puede crear principalmente 4 tipos de grupos funcionales (pirid\u00ednicos, de tipo pirrol, de tipo graf\u00edtico y especies de N oxidadas) de los que los de tipo graf\u00edtico y los pirid\u00ednicos son considerados los sitios activos para la ORR en medio b\u00e1sico.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">La s\u00edntesis de este tipo de materiales se ha llevado a cabo, tradicionalmente, por dos v\u00edas: <\/span><\/p>\n<ul style=\"text-align: justify;\">\n<li>mediante s\u00edntesis directa a partir de pol\u00edmeros que contienen \u00e1tomos de C y N, como polipirrol, polianilina, poliacrilonitrilo\u2026<\/li>\n<li>mediante un tratamiento de dopado sobre el material carbonoso, empleando atm\u00f3sferas ricas en nitr\u00f3geno ( , plasma de N-ion\u2026)<\/li>\n<\/ul>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Una alternativa al empleo de estos precursores la podemos encontrar en materiales ricos en C que provienen de recursos naturales renovables. En la biomasa, adem\u00e1s de C, H y O, podemos encontrar no-metales como N, S y P y metales como Fe, Cu o Co. Esta biomasa se puede transformar, entre otras cosas, en materiales carbonosos dopados con distintos hetero\u00e1tomos. Todos estos elementos, que se encuentran en distintas proporciones dependiendo del origen de la materia org\u00e1nica, pueden facilitar la formaci\u00f3n de sitios activos para la ORR y as\u00ed mejorar la eficacia de los catalizadores. Biomol\u00e9culas como amino\u00e1cidos, p\u00e9ptidos, glicop\u00e9ptidos, prote\u00ednas, aminato\/amidato sac\u00e1ridos o polisac\u00e1ridos (glucosamina (GA), N-acetilglucosamina\u2026) pueden servir como precursores ricos en C y N. La relaci\u00f3n N\/C en biomasa aumenta seg\u00fan el orden vegetal &lt; algas &lt; animal, con contenidos de N que pueden ir desde menos del 1% de la hierba hasta m\u00e1s del 6% para las semillas de soja, del 12% para las microalgas y zooplacton o cerca del 15% para el pelo o la seda de gusanos. Esto significa que los precursores de origen animal son m\u00e1s adecuados para la preparaci\u00f3n de NCs sin emplear fuente de nitr\u00f3geno adicionales. Como ejemplos de esto, un art\u00edculo de Song y colaboradores <\/span><span style=\"color: #000000;\">[<\/span><a title=\"Song, 2014 #13\" href=\"file:\/\/\/C:\/Users\/carmen.perez\/Desktop\/Manuel%20Montiel_27.01.16.docx#_ENREF_5\">5<\/a><span style=\"color: #000000;\">]<\/span><span style=\"color: #000000;\"> describe la preparaci\u00f3n de NC a partir de huesos de pollo, uno de los mayores subproductos de las aves de corral; o White y colaboradores, que emplean los caparazones de gambas, compuestos de quitina y carbonato de calcio, como fuente de N y C (de la quitina) y, simult\u00e1neamente, el CaCO<\/span><span style=\"color: #000000;\"><sub>3<\/sub> sirve como una plantilla natural para aumentar la porosidad y que es f\u00e1cilmente eliminable <\/span><span style=\"color: #000000;\">[<\/span><a title=\"White, 2009 #14\" href=\"file:\/\/\/C:\/Users\/carmen.perez\/Desktop\/Manuel%20Montiel_27.01.16.docx#_ENREF_6\">6<\/a><span style=\"color: #000000;\">]<\/span><span style=\"color: #000000;\">. <\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">Por otro lado, la conversi\u00f3n de la biomasa en estos materiales carbonosos dopados se puede llevar a cabo mediante diferentes m\u00e9todos:<\/span><\/p>\n<ul style=\"text-align: justify;\">\n<li><strong>Pir\u00f3lisis y carbonizaci\u00f3n hidrot\u00e9rmica<\/strong>: descomposici\u00f3n de la materia org\u00e1nica a elevadas temperaturas en atm\u00f3sferas inertes, en ausencia o presencia de agua. Estos m\u00e9todos producen materiales con porosidad y \u00e1reas superficiales no muy elevadas, por lo que se emplean m\u00e9todos complementarios de activaci\u00f3n de los materiales (activaci\u00f3n f\u00edsica o qu\u00edmica o empleo de plantillas).<\/li>\n<li><strong>Carbonizaci\u00f3n ionot\u00e9rmica<\/strong>: carbonizaci\u00f3n de disoluciones de materia org\u00e1nica en l\u00edquidos i\u00f3nicos.<\/li>\n<li><strong>Carbonizaci\u00f3n por microondas<\/strong>: empleo de microondas para la carbonizaci\u00f3n de la biomasa, que permite un ahorro de tiempo y un calentamiento m\u00e1s uniforme de la muestra. Tambi\u00e9n se puede realizar una activaci\u00f3n qu\u00edmica o f\u00edsica de los materiales de manera complementaria.<\/li>\n<\/ul>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">En el art\u00edculo publicado recientemente por Antolini <\/span><span style=\"color: #000000;\">[<\/span><a title=\"Antolini, 2016 #11\" href=\"file:\/\/\/C:\/Users\/carmen.perez\/Desktop\/Manuel%20Montiel_27.01.16.docx#_ENREF_1\">1<\/a><span style=\"color: #000000;\">]<\/span><span style=\"color: #000000;\"> se discuten con m\u00e1s detalle los m\u00e9todos de preparaci\u00f3n y las fuentes empleadas para la fabricaci\u00f3n de NCs, adem\u00e1s de las propiedades fisicoqu\u00edmicas y electroqu\u00edmicas de los materiales obtenidos.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\"><br \/>\n<\/span><\/p>\n<h2 style=\"text-align: justify;\">Bibliograf\u00eda<\/h2>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">[1] Antolini E. Nitrogen-doped carbons by sustainable N- and C-containing natural resources as nonprecious catalysts and catalyst supports for low temperature fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016;58:34-51.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">[2] Zhang J, Dai L. Heteroatom-Doped Graphitic Carbon Catalysts For Efficient Electrocatalysis Of Oxygen Reduction Reaction. ACS Catalysis. 2015;5:7244\u221253.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">[3] Del Cueto M, Oc\u00f3n P, Poyato JML. Comparative study of oxygen reduction reaction mechanism on nitrogen-, phosphorus-, and boron-doped graphene surfaces for fuel cell applications. Journal of Physical Chemistry C. 2014;119:2004-9.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">[4] Dom\u00ednguez C, P\u00e9rez-Alonso FJ, Al-Thabaiti SA, Basahel SN, Obaid AY, Alyoubi AO, et al. Effect of N and S co-doping of multiwalled carbon nanotubes for the oxygen reduction. Electrochimica Acta. 2015;157:158-65.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">[5] Song H, Li H, Wang H, Key J, Ji S, Mao X, et al. Chicken bone-derived N-doped porous carbon materials as an oxygen reduction electrocatalyst. Electrochimica Acta. 2014;147:520-6.<\/span><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\"><span style=\"color: #000000;\">[6] White RJ, Antonietti M, Titirici M-M. Naturally inspired nitrogen doped porous carbon. Journal of Materials Chemistry. 2009;19:8645-.<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>[Autor: Manuel Montiel-Universidad Aut\u00f3noma de Madrid] Las pilas de combustible de baja temperatura alimentadas con hidr\u00f3geno o alcoholes de baja masa molecular son dispositivos capaces de producir electricidad de manera efectiva mediante la oxidaci\u00f3n del hidr\u00f3geno\/alcohol en el \u00e1nodo y la reducci\u00f3n de ox\u00edgeno en el c\u00e1todo. Tradicionalmente, como c\u00e1todo, se han empleado catalizadores de Pt o aleaciones como PtCo, debido a su alta actividad en la reacci\u00f3n de reducci\u00f3n de ox\u00edgeno (ORR). 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