TESIS
Electrocatalizadores a base de óxido de grafeno decorado con nanopartículas de Fe3O4 y NiFe2O4 para la reacción de reducción de oxígeno en celdas de combustible microbianas
Fecha
2019-02-14Registro en:
Benito Santiago, Sandra Edith. (2018). Electrocatalizadores a base de óxido de grafeno decorado con nanopartículas de Fe3O4 y NiFe2O4 para la reacción de reducción de oxígeno en celdas de combustible microbianas (Maestría en Tecnología Avanzada), Instituto Politécnico Nacional, Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Unidad Altamira, México.
Autor
Benito Santiago, Sandra Edith
Institución
Resumen
RESUMEN: En este trabajo se prepararon electrocatalizadores basados en óxido de grafeno para su aplicación en la reacción de reducción de oxígeno en celdas de combustible microbianas.
Los catalizadores se prepararon decorando óxido de grafeno preparado por una modificación del método de Hummers con nanopartículas de magnetita (Fe3O4) y ferrita de níquel (NiFe2O4). La decoración se realizó por el método de coprecipitación variando la concentración total de hierro en las muestras decoradas con óxidos de hierro (GO-Fe3O4), y las relaciones Fe: Ni en el óxido de grafeno decorado con ferrita de níquel (GO-NiFe2O4). Los cátodos se prepararon sobre fieltro de grafito en diferentes concentraciones del catalizador y las celdas de combustible microbianas se construyeron usando un recipiente de barro como soporte y membrana de intercambio de protones. El ánodo fue un fieltro de grafito y como combustible anódico se usó agua con materia orgánica activada con acetato de sodio y aire como combustible catódico.
Los materiales se estudiaron por difracción de rayos X, termogravimetría acoplada con espectrometría de masas, espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, espectroscopia Raman y microscopia electrónica de transmisión para conocer la estructura molecular y cristalina, así como su microestructura. Se determinó que el GO presenta grupos carboxilo, hidroxilo y epoxy, una separación entre las hojas adyacentes de 0.832 nm y tamaños de cristalita y de hoja de 51 nm y 2 x 2 μm2, respectivamente y que pierde sus grupos funcionales a 220 °C para combustionar a 593 °C. Las muestras decoradas presentan una mayor estabilidad térmica, dependiente de la fase cristalina presente. Las muestras decoradas con hierro presentan principalmente la fase magnetita, aunque se observó la presencia de hematita (Fe2O3) y goethita (FeOOH) dependiendo del tratamiento de reducción y de la concentración total de hierro. En las muestras decoradas con níquel se observó una mezcla de fases de Fe3O4, Fe2O3 y NiFe2O4. Las nanopartículas sobre las hojas de GO tuvieron tamaños entre 6.16-13 nm. La actividad electrocatalítica para la ORR se estudió voltamétricamente y también respecto al voltaje entregado por las celdas, encontrándose que el mejor catalizador fue la muestra GO-NiFe2O4 2:1, con una concentración de 15 mg/cm2, proporcionando una corriente de -0.13 mA a 397 mV. La mejor celda de combustible microbiana presentó un potencial máximo de 398 mV.
Se determinó que los principales factores relacionados con la eficiencia del electrocatalizador son la presencia de hematita como co-catalizador, la introducción de níquel, la conductividad del material decorado GO-óxido, el tamaño de partícula y la distribución del catalizador en el electrodo.
ABSTRACT: In this work graphene oxide-based electrocatalysts were prepared for their application in the oxygen reduction reaction in microbial fuel cells.
The catalysts were prepared by decorating graphene oxide prepared by a modification of the Hummers method, with magnetite nanoparticles (Fe3O4) and nickel ferrite (NiFe2O4). The decoration was performed by the coprecipitation method, varying the total iron concentration in the samples decorated with iron oxide (GO-Fe3O4), and the Fe: Ni ratios in the graphene oxide decorated with nickel ferrite (GO-NiFe2O4). The cathodes were prepared on graphite felt at different concentrations of the catalyst, and the microbial fuel cells were constructed using a clay pot as support and proton exchange membrane. The anode was a graphite felt and water with organic matter, activated with sodium acetate was used as fuel at the anode and air as fuel at the cathode.
The materials were studied by X-ray diffraction, thermogravimetry coupled with mass spectroscopy (TGA-MS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM) to know the molecular and crystalline structure, as well as its microstructure. It was determined that the GO has carboxyl, hydroxyl and epoxy groups, a separation between the adjacent sheets of 0.832 nm and that it has crystallite and sheet sizes of 51 nm and 2 x 2 μm2, respectively and that it loses its functional groups to 220 °C to combust at 593 °C. The decorated samples present a higher thermal stability, depending on the crystalline phase. The samples decorated with iron mainly present the magnetite phase although the presence of hematite and goethite was observed depending on the reduction treatment and the total iron concentration. In the samples decorated with nickel, a mixture of magnetite (Fe3O4), hematite (Fe2O3), nickel oxide (NiO) and nickel ferrite (Ni2FeO4) phases was observed in a sample calcined at 300 °C for 10 h. The nanoparticles on the graphene sheets had sizes between 6.16 and 13 nm. The electrocatalytic activity for the oxygen reduction reaction was studied by voltammetry and with respect to the voltage delivered by the cells, finding that the best catalyst was the sample GO-NiFe2O4 2:1, with a concentration of 15 mg/cm2, providing a faradaic current of -0.13 mA to 397 mV. The best microbial fuel cell presented a maximum potential of 398 mV.
The factors that influence the electrocatalyst efficiency were found to be the presence of hematite as co-catalyst, the Ni presence, the GO-decorated conductivity, and the particle size and distribution of the catalyst onto the electrode.