Caracterización de electrodos porosos de níquel dopados con nanopartículas de Pd y Ag para la producción de hidrógeno

Abstract

[ES] En la actualidad, existe una dependencia elevada de los combustibles fósiles. El uso de dichos combustibles conlleva diversos problemas como la contaminación y el agotamiento de recursos. Para disminuir la dependencia de los combustibles fósiles se ha comenzado a confiar en las fuentes de energía renovables, donde el hidrógeno puede actuar de vector energético. El hidrógeno puede almacenar grandes cantidades de energía para que se pueda disponer de ella posteriormente. El método más extendido y sencillo para obtener hidrógeno a través de fuentes de energía renovable es la electrólisis alcalina del agua. El problema que presenta este método es el consumo energético que requiere y su baja eficiencia. Para conseguir solventar estos problemas se estudia el desarrollo de nuevos electrodos. El aumento del área superficial específica a través de la porosidad de los electrodos, así como la presencia en el electrodo de materiales nobles que catalizan la reacción de evolución de hidrógeno permiten mejorar la eficiencia y el consumo energético. El presente trabajo final de grado ha sido realizado con la finalidad de estudiar la mejora de la electrólisis alcalina del agua empleando como cátodo electrodos de níquel poroso dopados con nanopartículas de plata y paladio. Lo que se pretende conseguir con el uso de estos electrodos catódicos es la disminución del sobrepotencial y por consiguiente la mejora en el rendimiento energético. Se estudiaron cuatro electrodos: un electrodo de níquel liso; un electrodo de níquel poroso; un electrodo de níquel poroso con nanopartículas de paladio depositadas bajo tratamiento térmico (EPdTT); un electrodo de níquel poroso con nanopartículas de paladio depositadas bajo tratamiento térmico y nanopartículas de plata electrodepositadas (E-PdTT_AgEDP). Para el estudio se han realizado barridos de potencial y ensayos galvanostáticos a diversas intensidades. Además, los experimentos se realizaron a diferentes temperaturas para ver el efecto de ésta sobre la reacción de evolución de hidrógeno. Tras el análisis de los resultados obtenidos, se ha podido corroborar que el aumento de temperatura facilita la reacción de evolución de hidrógeno. Además, se ha podido demostrar que tanto el electrodo E-PdTT como el electrodo E-PdTT_AgEDP ofrecen buenas propiedades electrocatalíticas. Pero el electrodo E-PdTT_AgEDP es el que más destaca al reducir el sobrepotencial, disminuir el consumo energético, aumentar el rendimiento farádico y aumentar el rendimiento energético máximo.

[CA] En l’actualitat, existeix una dependència elevada dels combustibles fòssils. L’ús d’aquests combustibles comporta diversos problemes com la contaminació i l’esgotament dels recursos. Per a reduir la dependència dels combustibles fòssils s’ha començat a confiar en les fonts d’energia renovables, on l’hidrogen pot actuar com a vector energètic. L’hidrogen pot emmagatzemar grans quantitats d’energia perquè es puga disposar d’ella posteriorment. El mètode més estès i senzill per a l’obtenció d’hidrogen a través de fonts d’energia renovable és l’electròlisi alcalina de l’aigua. El problema que presenta aquest mètode és el consum energètic que requereix i la seua baixa eficiència. Per a aconseguir resoldre aquests problemes s’estudia el desenvolupament de nous elèctrodes. L’augment de l’àrea superficial específica a través de la porositat dels elèctrodes, així com la presència en l’elèctrode de materials nobles que catalitzen la reacció d’evolució d’hidrogen permeten millorar l’eficiència i el consum energètic. El present treball de fi de grau ha sigut realitzat amb la finalitat d’estudiar la millora de l’electròlisi alcalina de l’aigua emprant com a càtode elèctrodes de níquel porós dopats amb nanopartícules de plata i pal·ladi. Lo que es pretén aconseguir amb l’ús d’aquests elèctrodes catòdics és la disminució del sobrepotencial i per consegüent la millora en el rendiment energètic. Es van estudiar quatre elèctrodes: un elèctrode de níquel llis; un elèctrode de níquel porós; un elèctrode de níquel porós amb nanopartícules de pal·ladi depositades baix tractament tèrmic (E-PdTT); i un elèctrode de níquel porós amb nanopartícules de pal·ladi depositades baix tractament tèrmic i nanopartícules de plata electrodepositades (E-PdTT_AgEDP). Per a l’estudi s’han realitzat corbes de descàrrega d’hidrogen i assajos galvanostàtics a diverses intensitats. A més, els experiments es van realitzar a diferents temperatures per a vorer l’efecte d’aquesta sobre la reacció d’evolució d’hidrogen. Després de l’anàlisi dels resultats obtinguts, s’ha pogut corroborar que l’augment de temperatura facilita la reacció d’evolució d’hidrogen. A més, s’ha pogut demostrar que tant l’elètrode E-PdTT com l’elèctrode E-PdTT_AgEDP ofereixen bones propietats electrocatalítiques. Però l’elèctrode EPdTT_AgEDP és el que més destaca al reduir el sobrepotencial, disminuir el consum energètic, augmentar el rendiment faràdic i augmentar el rendiment energètic màxim.

[EN] Nowadays, there is a high dependence on fossil fuels. The use of these fuels entails problems such as contamination and resource depletion. To reduce the dependence on fossil fuels, a reliance on renewable sources has begun, where hydrogen can act as an energy carrier. Hydrogen can store large amounts of energy so that it can be used later. The most extended and simple method to obtain hydrogen through renewable sources of energy is the alkaline water electrolysis. The energetic consumption that this method needs and its low efficiency are the main problems. The development of new electrodes is studied in order to solve these problems. The increase of the specific surface area through porosity of the electrodes, as well as the presence in the electrode of noble materials that catalyse the hydrogen evolution reaction, enable the improvement of the efficiency and the energetic consumption. This work has been done to study the improvement of the alkaline water electrolysis using porous nickel electrode doped with palladium and silver nanoparticles as cathodes. What is intended to achieve with the use of these cathodic electrodes is the reduction of overpotential and, therefore, the improvement of the energetic efficiency. Four electrodes have been studied: a smooth nickel electrode; a porous nickel electrode; a porous nickel electrode with palladium nanoparticles deposited by a heat treatment (E-PdTT); and a porous nickel electrode with palladium nanoparticles deposited by a heat treatment and silver nanoparticles electrodeposited (E-PdTT_AgEDP). For the study of the electrodes, potential sweeps and galvanostatic tests at various currents have been done. Furthermore, the experiments have been done at different temperatures to see the effect of the temperature over the hydrogen evolution reaction. After the analysis of the obtained results, it has been corroborated that the increase of the temperature facilitates the hydrogen evolution reaction. In addition, it has been proved that both the E-PdTT electrode and the E-PdTT_AgEDP electrode offer good electrocatalytic properties. But the EPdTT_AgEDP electrode is the one that stands out the most due to the reduction of overpotential, the reduction of energetic consumption, the increase of faradic efficiency and the increase of the maximum energetic efficiency.