{"id":133070,"date":"2016-05-19T08:55:37","date_gmt":"2016-05-19T07:55:37","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=133070"},"modified":"2016-05-19T08:57:32","modified_gmt":"2016-05-19T07:57:32","slug":"oxidacion-de-hidrogeno-en-medio-alcalino-nin-cnt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2016\/05\/19\/133070","title":{"rendered":"Oxidaci\u00f3n de hidr\u00f3geno en medio alcalino: Ni\/N-CNT"},"content":{"rendered":"

Autor: Manuel Montiel. Universidad Aut\u00f3noma de Madrid<\/span><\/strong><\/p>\n

Las pilas de combustible son dispositivos capaces de transformar en energ\u00eda el\u00e9ctrica y de manera efectiva la energ\u00eda qu\u00edmica almacenada en combustibles como hidr\u00f3geno o alcoholes de baja masa molecular. Dentro de las pilas de combustible, las que operan a baja temperatura (~100\u00a0\u00baC), han sido tradicionalmente dispositivos de membrana polim\u00e9rica que trabajan en medio \u00e1cido. Para llevar a cabo el proceso electroqu\u00edmico se han empleado catalizadores de Pt o metales del grupo del platino (PGMs), tanto para la oxidaci\u00f3n de combustibles en el \u00e1nodo como para la reducci\u00f3n de ox\u00edgeno en el c\u00e1todo. Pero el empleo de nuevos dispositivos de membrana polim\u00e9rica que trabajan en medio b\u00e1sico ha permitido abrir el abanico de catalizadores que se pueden emplear, tanto en el \u00e1nodo como en el c\u00e1todo [1]. Sin embargo, mientras que para el c\u00e1todo se han conseguido catalizadores con actividad comparable a la del Pt, solo algunos PGMs (Pt, Ir, Pd\u2026) presentan una actividad adecuada para la oxidaci\u00f3n de hidr\u00f3geno en medio alcalino, donde la reacci\u00f3n es m\u00e1s lenta. <\/span><\/p>\n

Una alternativa al empleo de PGMs como \u00e1nodos en pilas de hidr\u00f3geno alcalinas son los catalizadores basados en n\u00edquel, como aleaciones de NiMo, NiTi o NiCoMo, o tambi\u00e9n nanopart\u00edculas de n\u00edquel decoradas con \u00f3xidos met\u00e1licos. Aunque la actividad de estos materiales es inferior a la obtenida con PGMs, se pone de manifiesto la posibilidad de abaratar los costes de las pilas de combustible de hidr\u00f3geno en medio alcalino. Recientemente Zhongbin Zhuang y colaboradores han presentado un trabajo en el que se describe la s\u00edntesis y caracterizaci\u00f3n de nanopart\u00edculas de Ni soportadas sobre nanotubos de carbono dopados con N (Ni\/N-CNT) y con las que logran una actividad comparable a la del Pt en las mismas condiciones de medida [2]. Aunque los nanotubos de C dopados con N (N-CNT) tienen una actividad frente a la oxidaci\u00f3n de hidr\u00f3geno tan baja como los nanotubos de carbono sin dopar (CNT), su empleo como soporte produce un efecto sin\u00e9rgico que no se observa con estos \u00faltimos. <\/span><\/p>\n

En este trabajo se llevaron a cabo c\u00e1lculos DFT (Density Functional Theory) con dos modelos de nanopart\u00edculas cubocta\u00e9dricas de Ni (Ni<\/span>13<\/sub> y Ni37<\/sub>), investigando el efecto de la localizaci\u00f3n de los \u00e1tomos de N en relaci\u00f3n con la nanopart\u00edcula (en el centro: Nc<\/sub>, o en los bordes: Ne<\/sub>). Se observ\u00f3 que los cl\u00faster de Ni sin soportar o soportados sobre CNT presentan una distribuci\u00f3n de energ\u00edas de enlace Ni\u2011H m\u00e1s amplia, lo que implica mayor heterogeneidad de sitios a los que se une el H, adem\u00e1s de que la uni\u00f3n a dichos sitios es m\u00e1s fuerte en la mayor\u00eda de los casos. Mientras, en los modelos con carbono dopado no se observan energ\u00edas tan altas. Estas diferencias tienen un origen tanto electr\u00f3nico (debido a transferencias de carga) como geom\u00e9trico (relajaci\u00f3n del cl\u00faster).<\/span><\/p>\n

\"\"<\/p>\n

\u00a0(a) Distribution of site-dependent hydrogen-binding energies for each model system. (b) Distribution of relaxation energies for each model system on hydrogen-binding to each site. (c) Shifts in the d-band centre with respect to the Fermi level and binding energy at adjacent Ni sites (1,2,3) and (2,3,4). <\/span><\/em><\/p>\n

Zhuang, Z. et al. Nickel supported on nitrogen-doped carbon nanotubes as hydrogen oxidation reaction catalyst in alkaline electrolyte. <\/em>Nat. Commun. 7:10141 doi: <\/em><\/span>10.1038\/ncomms1014<\/span><\/em><\/a>1 (2016)<\/span><\/em><\/p>\n

Los c\u00e1lculos te\u00f3ricos tambi\u00e9n indican que los \u00e1tomos de N que interaccionan con el centro de la nanopart\u00edcula (N<\/span>c<\/sub>) producen una relajaci\u00f3n de la estructura del cl\u00faster de menor grado que para Ni o Ni\/CNT, mientras que los N<\/span>e<\/sub> producen una relajaci\u00f3n con una reconstrucci\u00f3n m\u00ednima de la estructura, relacionado con la menor fortaleza de los enlaces Ni-H que se forman. Estos efectos electr\u00f3nicos y estructurales se traducen en una mayor activaci\u00f3n de los centros implicados frente a la reacci\u00f3n de oxidaci\u00f3n de hidr\u00f3geno. As\u00ed mismo, estos c\u00e1lculos predicen que tama\u00f1os m\u00e1s peque\u00f1os de nanopart\u00edculas podr\u00edan proporcionar mayor actividad frente a esta reacci\u00f3n, debido a un mayor n\u00famero de interacciones Ni-Ne<\/sub>. Como se muestra en la siguiente figura, los c\u00e1lculos te\u00f3ricos predicen de buen grado los resultados obtenidos para la densidad de corriente de intercambio en la reacci\u00f3n de oxidaci\u00f3n de hidr\u00f3geno. <\/span><\/p>\n

\u00a0\"\"<\/span><\/p>\n

Unpatterned bars are the calculated exchange current densities and patterned bars are the measured values. The calculated exchange current density of Ni\/N<\/span>e<\/sub>-graphene is shown for Ni\/N-graphene. Error bars are 75% confidence intervals resulting from the regression of the volcano relationship in <\/span><\/em>Supplementary Equation 2<\/span><\/em><\/a>.<\/span><\/em><\/p>\n

Bibliograf\u00eda<\/h2>\n

[1] Montiel M. Materiales carbonosos dopados con N como catalizadores para pilas de combustible. 2016.<\/span><\/p>\n

[2] Zhuang Z, Giles SA, Zheng J, Jenness GR, Caratzoulas S, Vlachos DG, et al. <\/span>Nickel supported on nitrogen-doped carbon nanotubes as hydrogen oxidation reaction catalyst in alkaline electrolyte. Nature Communications. 2016;7:10141. This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License: http:\/\/creativecommons.org\/licenses\/by\/4.0\/<\/a><\/span><\/p>\n

\u00a0<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autor: Manuel Montiel. Universidad Aut\u00f3noma de Madrid Las pilas de combustible son dispositivos capaces de transformar en energ\u00eda el\u00e9ctrica y de manera efectiva la energ\u00eda qu\u00edmica almacenada en combustibles como hidr\u00f3geno o alcoholes de baja masa molecular. Dentro de las pilas de combustible, las que operan a baja temperatura (~100\u00a0\u00baC), han sido tradicionalmente dispositivos de membrana polim\u00e9rica que trabajan en medio \u00e1cido. Para llevar a cabo el proceso electroqu\u00edmico se han empleado catalizadores de Pt o metales del grupo del platino (PGMs), tanto para la oxidaci\u00f3n de combustibles en el \u00e1nodo como para la reducci\u00f3n de ox\u00edgeno en el c\u00e1todo.\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[545,1784,543,546],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/133070"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=133070"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/133070\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":133076,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/133070\/revisions\/133076"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=133070"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=133070"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=133070"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}