Electrocatálisis de reacciones de electrodo de interés en la conversión y almacenamiento de energía sustentable

Davia, Federico Gabriel

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Electrocatálisis de reacciones de electrodo de interés en la conversión y almacenamiento de energía sustentable
Título alternativo:	Electrocatalysis of electrode reactions of interest in sustainable energy conversion and storage
Autor:	Davia, Federico Gabriel
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Lugar de trabajo:	Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Química, Física de Los Materiales, Medioambiente y Energía (INQUIMAE)
Publicación en la Web:	2023-03-01
Fecha de defensa:	2021-12-10
Fecha en portada:	2021
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Química Inorgánica, Química Analítica y Química Física
Departamento Docente:	Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física
Director:	Calvo, Ernesto Julio
Director Asistente:	Williams, Federico José
Consejero:	Alborés, Pablo
Jurado:	Zagal Moya, José Heraclito; Planes, Gabriel Ángel; Corti, Horacio Roberto
Idioma:	Español
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7005_Davia
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7005_Davia.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7005_Davia
Ubicación:	QUI 007005
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Davia, Federico Gabriel. (2021). Electrocatálisis de reacciones de electrodo de interés en la conversión y almacenamiento de energía sustentable. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7005_Davia

Resumen:

Recientemente ha habido un gran interés en el desarrollo de materiales que puedan reemplazar al platino para catalizar la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en celdas de combustible. En particular algunos estudios han mostrado que materiales basados en la pirolisis de compuestos orgánicos con centros piridínicos y pirrólicos poseen una sorprendente actividad catalítica. Sin embargo, se desconoce la naturaleza de los sitios activos y el mecanismo de la reacción química debido a la complejidad que poseen estos materiales. En la presente tesis doctoral se abordó el estudio de electrodos funcionalizados con especies de carbono, hierro y nitrógeno, partiendo de sistemas simples, como electrodos planos en los que se tiene control de la composición química superficial, hasta sistemas complejos, como catalizadores conformados por partículas de carbón funcionalizadas obtenidas por pirolisis de precursores orgánicos y sales de hierro. En el primer capítulo de resultados (Capítulo III) se estudiaron electrodos de carbón pirolítico altamente orientado (HOPG, por sus siglas en inglés) funcionalizados con ftalocianina de hierro (FePc) y con una película delgada autoensamblada capa por capa de ftalocianina de hierro tetrasulfonada (FeTsPc) y polialilamina (PAH). Se evaluó efecto del tratamiento térmico de dichos electrodos sobre su actividad electrocatalítica. Los sistemas fueron caracterizados por espectroscopia de fotoelectrones (XPS) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Por otro lado, se estudió una monocapa autoensamblada de 4-mercaptopiridina y FePc con el objetivo de comparar el comportamiento de estos sistemas en medio acuoso y no acuoso. En el Capítulo IV se presenta un modelo fisicoquímico inspirado en la descripción de electrodos porosos de de Levie con la finalidad de estudiar la estructura porosa de las películas catalíticas depositas en los electrodos, para luego determinar su actividad específica (normalizada por unidad de área). En el capítulo V se aplica el modelo desarrollado en el capítulo anterior a un conjunto de catalizadores derivados del tratamiento térmico de ftalocianina de hierro (FePc) depositada sobre partículas de carbón Vulcan® con el fin de estudiar la relación entre la concentración superficial de ftalocianina de hierro, determinada por voltametría cíclica y XPS, con la actividad electrocatalítica en medio básico. Finalmente, en el capítulo VI se estudia la actividad electrocatalítica en medio ácido de materiales de mayor complejidad química haciendo uso de la misma estrategia del capítulo anterior. La tesis busca establecer un puente entre sistemas bien definidos sobre electrodos planos y catalizadores depositados en películas porosas, en los que la estructura porosa y el área específica influyen significativamente en la actividad electrocatalítica y complejizan la dilucidación del sitio activo.

Abstract:

Recently there has been great interest in the development of materials that can replace platinum as catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. Several studies have shown that materials derived from the pyrolysis of organic compounds with pyridine and pyrrolic centers have surprising catalytic activity. However, the nature of the active sites and the mechanism of the chemical reaction are not fully understood due to the complexity of these materials. In the present doctoral thesis, the study of functionalized electrodes with carbon, iron and nitrogen species was done in simple systems, such as flat electrodes in which there is control of the surface chemical composition, to more complex systems, such as catalysts made up of functionalized carbon particles obtained by pyrolysis of organic precursors and iron salts. In the first chapter of results (Chapter III), highly oriented pyrolytic carbon (HOPG) electrodes functionalized with iron phthalocyanine (FePc) and with a layer-by- layer thin film of tetrasulfonated iron phthalocyanine (FeTsPc) and polyallylamine (PAH) were studied. The effect of the heat treatment of said electrodes on their electrocatalytic activity was evaluated. The systems were characterized by photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM). On the other hand, a self-assembly of 4-mercaptopyridine and FePc was studied in order to compare its behavior in aqueous and non-aqueous media. In Chapter IV, a physicochemical model inspired by De Levie's description of porous electrodes is presented to study the porous structure of the catalytic films deposited on the electrodes, and then determine their specific activity (normalized per unit area). In chapter V the model developed in the previous chapter is applied to a set of catalysts derived from the heat treatment of iron phthalocyanine (FePc) deposited on Vulcan® carbon particles to study the relationship between the surface concentration of phthalocyanine in iron, determined by cyclic voltammetry and XPS, with electrocatalytic activity in a basic medium. Finally, in chapter VI, the electrocatalytic activity in acid medium of materials of greater chemical complexity is studied using the same strategy of the previous chapter. The thesis seeks to establish a bridge between well-defined systems on flat electrodes and catalysts deposited in porous films, in which the porous structure and the specific area significantly influence the electrocatalytic activity and make difficult to elucidate the chemical identity of the active site.

Citación:

---------- APA ----------

Davia, Federico Gabriel. (2021). Electrocatálisis de reacciones de electrodo de interés en la conversión y almacenamiento de energía sustentable. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7005_Davia

---------- CHICAGO ----------

Davia, Federico Gabriel. "Electrocatálisis de reacciones de electrodo de interés en la conversión y almacenamiento de energía sustentable". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2021.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7005_Davia

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