Caracterización de electrodos de níquel dopados con nanopartiículas de paladio para la obtención de hidrógeno

Abstract

[ES] El sistema energético mundial está basado en los combustibles fósiles, y éstos conllevan graves problemas de contaminación además de ser fuentes de energía no renovables. Una de las nuevas alternativas energéticas es el hidrógeno. El hidrógeno es un vector energético idóneo para convertirse en el combustible del futuro. Con la creación de un sistema energético basado en el hidrógeno denominado “Economía del hidrógeno” se conseguiría energía de forma limpia y renovable. La electrólisis alcalina del agua es una tecnología sencilla y es una forma fácil de obtener hidrógeno de manera limpia y renovable. Sin embargo, debido a su baja eficiencia y su alto coste no se utiliza masivamente a nivel industrial. Uno de los aspectos negativos es el alto sobrepotencial necesario para que se produzca la reacción de evolución de hidrógeno en el cátodo de la celda de electrólisis. Este sobrepotencial depende del material del electrodo, y aunque se utilizan metales nobles con alta conductividad como el platino, éstos tienen un coste muy elevado y ello no permite la implantación a gran escala. En este contexto, el presente Trabajo de Fin de Grado pretende contribuir a la mejora de la eficiencia energética de la celda electroquímica reduciendo el sobrepotencial de cátodo a partir de la electrodeposición de nanopartículas de paladio sobre electrodos de níquel para mejorar la actividad catalítica y disminuir la energía de activación de la reacción de producción de hidrógeno. Con este fin, se han caracterizado 3 electrodos, antes y después de la deposicón de paladio, para ver el efecto de éste en el sistema. Por una parte, se ha caracterizado la superficie de los electrodos mediante las técnicas de microscopía láser confocal y la microscopía de barrido de emisión de campo, FESEM con acoplamiento de microanálisis EDX para analizar su composición. Por otra parte, los electrodos se han caracterizado electroquímicamente mediante la obtención de curvas de polarización de estado estacionario y por espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), para obtener los parámetros cinéticos de la reacción y poder calcular si realmente se mejora el proceso con la adición de Pd sobre los electrodos de níquel. Al analizar los resultados obtenidos, se observa que el paladio, en efecto, disminuye la energía de activación (reducciones de hasta el 80%, para el mejor electrodo obtenido depositando el paladio mediante una rampa de intensidad) de la reacción de producción de hidrógeno mejorando así la eficiencia energética del proceso.

[EN] The global energy system is based on fossil fuels, and these entail serious problems of pollution, in addition to being sources of non-renewable energy. One of the new energy alternatives is hydrogen. Hydrogen is an energy carrier suitable to become the fuel of the future. With the creation of an energy system based on so-called “Hydrogen economy” would get power clean and renewable. Alkaline electrolysis of water is a simple technology and is an easy way of obtaining hydrogen from clean and renewable way. However, due to their low efficiency and high cost not used massively at the industry level. One of the negative aspects in the necessary high overpotential for hydrogen evolution reaction at the cathode for the electrolysis cell. This overpotential depends on the electrode material, and though noble metals with high conductivity such as Platinium are used, these have high cost and this does not allow implementation on a large scale. In this context, the present end of degree work aims to contribute to the improvement of the energy efficiency of the electrochemical cell by reducing the overpotential of the cathode electrodeposition of Palladium deposit upon nickel electrodes to enhance the catalytic activity and decrease the activation energy of the reaction of hydrogen production. To this end, 3 electrodes has been characterized before and after the deposition of Palladium, to see their effect in the system. One the one hand, the surface of the electrodes was characterized by confocal laser microscopy techniques and field emission scanning microscopy, FESEM with EDX microanalysis coupling to analyse its composition. On the other hand, the electrodes have been characterized electrochemically by obtaining steady-state polarization curves and by electrochemically impedance spectroscopy (EIS), to obtain the kinetic parameters of the reaction and to be able to calculate if the process is really improved with the addition of Pd on the nickel electrodes. When analysing the obtained results, it is observed that the palladium, in fact, decreases the activation energy (reductions of up to 80%, for the best electrode obtained by depositing the palladium by means of an intensity ramp) of the hydrogen production reaction improving thus the energetic efficiency of the process.

[CA] El sistema energètic mundial està basat en els combustibles fòssils, i estos comporten greus problemas de contaminación a més de ser fonts d’energia no renovables. Una de les noves alternatives energètiques és l’hidrogen. L’hidrogen és un vector energètic idoni per a convertir-se en el combustible del futur. Amb la creació d’un sistema energètic basat en l’hidrogen denominat “Economia de l’hidrogen” s’aconseguirà energia de forma neta i renovable. L’electròlisi alcalina de l’aigua és una tecnologia senzilla i és una forma fàcil d’obtindre hidrogen de manera neta i renovable. No obstant això, a causa de la seua baixa eficiència i el seu alt cost no s’utilitza massivament a nivel industrial. Un dels aspectos negatius és l’alt sobrepotencial necessari perquè es produïsca la reacció d’evolució d’hidrogen en el càtode de la cel·la d’electròlisi. Aquest sobrepotencial depén del material de l’electrode, i encara que s’utilitzen metalls nobles amb alta conductivitat com el platí, aquests tenen un cost molt elevat y això no permet la implantació a gran escala. En aquest context, el present Treball de Fi de Grau pretén contribuir a la millora de l’eficiència energètica de la cel·la electroquímica reduint el sobrepotencial de càtode a partir de l’electrodeposició de nanopartícules de pal·ladi sobre electrodes de níquel per a millorar l’activitat catalítica i disminuir l’energia d’activació de la reacción de producció d’hidrogen. Amb aquest fi, s’han caracteritzat 3 electrodes, abans i després de la depoició de pal·ladi per a veure l’efecte d’aquest en el sistema. D’una banda, s’ha caracteritzat la superfície dels electrodes per mitjà de les tècniques de microscopia làser confocal i la microscopia d’agranat d’emissió de camp, FESEM amb adaptament de microanàlisi EDX per a analitzar la seua composició. D’altra banda, els electrodes s’han caracteritzat electroquímicament per mitjà de l’obtenció de curves de polarització en estat estacionair i per espectroscopia de impedància electroquímica (EIS), per a obtindre els paràmetres cinètics de la reacció i així poder calcular si realment es millora el procés amb l’addició de Pd sobre els electrodes de níquel. A l’analitzar els resultats obtinguts, s’observa que el pal·ladi, en efecte, disminuïx l’energia d’activació (reduccions de fins el 80%) de la reacció de producción d’hidrogen millorant així l’eficiència energètica del procés.