Desarrollo de MOFs de cobalto para su aplicación como electrocatalizadores en una pila de combustible de membrana de intercambio protónico

Abstract

[ES] Los seres humanos usamos en el día a día combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural, para la generación de calor y electricidad. Sin embargo, estos recursos son limitados y su impacto en el medio ambiente es muy elevado: emiten grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) durante su combustión, siendo los principales responsables del cambio climático. A consecuencia de ello, las fuentes de energía alternativas deben ser investigadas. Así, el objeto de este Trabajo Fin de Máster es el estudio de una Pila de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico. Esta pila basada en hidrógeno como combustible puede convertirse en una fuente de energía alternativa efectiva. Los campos de aplicabilidad de este sistema son muy amplios, desde el transporte (coches, trenes, autobuses, barcos) hasta dispositivos móviles o fuentes de energía de calor y electricidad en los hogares. Las pilas de combustible basadas en el hidrógeno son respetuosas con el medio ambiente porque su único subproducto es el agua, lo que supone cero emisiones de dióxido de carbono. El problema de este tipo de pilas es el catalizador de las reacciones químicas que se dan lugar en el ánodo (ruptura de la molécula de hidrógeno para generar electricidad) y en el cátodo (ruptura de la molécula de oxígeno para generar agua). Hoy en día, el platino es el principal metal usado como catalizador, ya que se ha comprobado que acelera ambas reacciones electroquímicas. Sin embargo, es un metal muy costoso y que se envenena fácilmente con otros gases como el monóxido de carbono o compuestos derivados del azufre, que se encuentran mezclados con el hidrógeno. Para solventar este problema, numerosos grupos de investigación a nivel mundial centran su trabajo en el desarrollo de catalizadores basados en metales de la primera serie de transición, que sean activos, robustos y de bajo coste, para llevar a cabo este proceso. Por ello, el objetivo del presente Trabajo Fin de Máster es la síntesis, caracterización y estudio de la actividad y aplicabilidad de redes metal-orgánicas (MOFs) de cobalto como electrocatalizadores para pilas de combustible.

[EN] Human beings use fossil fuels such as coal, oil and natural gas for the generation of heat and electricity on a daily basis. However, these resources are limited and their impact on the environment is very high: they emit huge amounts of CO2 during their combustion, being the main responsible for climate change. As a result, alternative energy sources must be investigated. Thus, the object of this Master's Thesis is the study of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell. This fuel cell based on hydrogen as fuel can become an effective alternative energy source. The fields of applicability of this system are very wide, from transportation (cars, trains, buses, ships) to mobile devices or energy sources of heat and electricity in homes. Hydrogen-based fuel cells are environmentally friendly because their only by-product is water, resulting in zero carbon dioxide emissions. The problem with this type of devices is the catalyst for the chemical reactions that take place at the anode (breakdown of the hydrogen molecule to generate electricity) and at the cathode (breakup of the oxygen molecule to generate water). Today, platinum is the main metal used as a catalyst, as it has been shown to speed up both electrochemical reactions. However, its cost is very high and it is easily poisoned by other gases such as carbon monoxide or compounds derived from sulfur, which are mixed with hydrogen. To solve this problem, numerous research groups worldwide focus their work on the development of catalysts based on first-row transition metals, which are active, robust and low cost, to carry out this process. Therefore, the objective of this Master's Thesis is the synthesis, characterization and study of the activity and applicability of cobalt metal organic frameworks as electrocatalysts for fuel cells.

[CAT] Els éssers humans emprem en el dia a dia combustibles fòssils —com el carbó, el petroli i el gas natural, entre d’altres— per a la generació de calor i electricitat. No obstant això, aquests recursos són limitats i el seu impacte en el medi ambient és molt elevat: emeten grans quantitats de diòxid de carboni (CO₂) durant la seua combustió i són els principals responsables del canvi climàtic. Arran d’aquests fets, les fonts d’energia alternatives han de ser objecte d’estudi. Amb aquestes premisses, l’objectiu principal en què es fonamenta aquest Treball de Fi de Màster és l’estudi d'una Pila de Combustible de Membrana d’Intercanvi Protònic. Aquesta pila basada en hidrogen com a combustible pot convertir-se en una font d’energia alternativa efectiva, amb un ampli ventall d’àmbits d’aplicació: des del transport (en cotxes, trens, autobusos, o vaixells), fins a dispositius mòbils o fonts d'energia de calor i electricitat a les llars. Les piles de combustible basades en hidrogen són respectuoses amb el medi ambient perquè l’únic subproducte generat és l’aigua, la qual cosa suposa una taxa de zero emissions de diòxid de carboni. El problema d’aquest tipus de piles, però, és el catalitzador de les reaccions químiques que tenen lloc a l’ànode (ruptura de la molècula d’hidrogen per a generar electricitat) i al càtode (ruptura de la molècula d’oxigen per a generar aigua). En l’actualitat, el platí és el principal metall utilitzat com a catalitzador, ja que s’ha comprovat que accelera ambdues reaccions electroquímiques. Tanmateix, és un metall molt costós i s’enverina fàcilment amb altres gasos com el monòxid de carboni (CO) o compostos derivats del sofre (els quals es troben barrejats amb l’hidrogen). Per tal de solucionar aquest problema, nombrosos grups d’investigació d’àmbit mundial centren el seu treball en el desenvolupament de catalitzadors basats en metalls de la primera sèrie de transició, que siguen actius, robustos i de baix cost, per a dur a terme aquest procés. Com a conseqüència de tot l’esmentat anteriorment, el present Treball de Fi de Màster es fonamenta en la síntesi, caracterització i estudi de l’activitat i aplicabilitat de MOFs (de l’anglés) de cobalt com a electrocatalitzadors per a piles de combustible.