Estudio electroquímico de catalizadores anódicos y análisis del desempeño de difusores de gases en un electrolizador PEM

Abstract

RESUMEN: Se estudió la actividad electrocatalítica en la reacción de evolución de oxígeno, en un electrolizador de prueba sellado de membrana de intercambio protónico utilizando materiales tipo óxidos de Ir y Ru (IrRuOx) soportados en TiO2, sintetizados mediante impregnación y fotodepósito. Adicionalmente, se evaluó el desempeño de capas difusoras de gases en la reacción de evolución de oxígeno utilizando un electrolizador de membrana de intercambio protónico experimental abierto. Los catalizadores se caracterizaron utilizando difracción de rayos-X, espectroscopía de fluorescencia de rayos-X y microscopia electrónica de barrido. La caracterización electroquímica se llevó a cabo con la finalidad de cuantificar la actividad y estabilidad electrocatalítica utilizando voltamperometría cíclica y lineal. El electrolizador de prueba sellado consistió en un ensamble membrana-electrodos con el electrocatalizador de óxidos de Ir y Ru (IrRuOx) depositado en la zona anódica, se comparó su desempeño en ese mismo electrolizador de prueba con un ensamble membrana electrodos conteniendo catalizador comercial 25%IrO275%RuO2. La evaluación de las capas difusoras de gases tipo acero inoxidable y titanio, recubiertas de niobio, se realizó en otro electrolizador de prueba abierto comparando su desempeño y durabilidad bajo condiciones industriales. La mayor actividad másica (89 mA/mgmetal) se obtuvo con el catalizador 10%Ir40%RuOx soportado en TiO2 P25, comparada con la del catalizador comercial 25%IrO2-75%RuO2 (60 mA/mgmetal), representando una disminución de la carga de metales nobles del 50%. Además, la estabilidad electroquímica fue similar con ambos catalizadores. El desempeño del catalizador 10%Ir40%RuOx en el electrolizador de prueba sellado, fue 66% menor con respecto al catalizador comercial. Para el caso de los GDL’s, se encontró el mejor desempeño a un torque de 150 Ncm con la capa difusora de gases con la capa macroporosa de acero inoxidable, se tuvo la misma durabilidad entre la capa difusora de gases tipo acero inoxidable y la capa difusora de gases de titanio recubiertos de Nb. Un resultado sobresaliente en esta evaluación fue que el ensamble membrana electrodos mostró la mayor contribución al aumento en potencial en función del tiempo de operación (1008 h), lo cual permitirá utilizar materiales de bajo costo (acero inoxidable). ABSTRACT: The electrocatalytic activity of TiO2-supported Ir and Ru oxides (IrRuOx), synthesized by impregnation and photodeposit in the Oxygen Evolution Reaction, was studied for a sealed proton exchange membrane test electrolyser. Additionally, the performance of gas diffusion layers in the Oxygen Evolution Reaction was evaluated using an open experimental PEM electrolyzer. The catalysts were characterized using X-ray diffraction, X-ray fluorescence spectroscopy and scanning electron microscopy. Electrochemical characterization was performed in order to quantify electrocatalytic activity and stability using cyclic and linear voltammetry. The sealed test electrolyzer consisted of a membraneelectrode assembly with the Ir and Ru oxide electrocatalyst (IrRuOx) deposited in the anodic zone, its performance in that same test electrolyzer was compared with a Membrane electrode assembly containing a commercial catalyst 25%IrO275%RuO2. The evaluation of stainless steel and titanium type Gas diffusion layers, coated with niobium, and was performed on another open test electrolyzer comparing its performance and durability under industrial conditions. The highest mass activity (89 mA/mgmetal) was obtained with the 10%Ir40%RuOx catalyst supported in TiO2 P25, compared to that of the commercial 25%IrO275%RuO2 catalyst (60 mA/mgmetal), representing a 50% decrease in the noble metal charge. In addition, electrochemical stability was similar with both catalysts. The performance of the 10%Ir40%RuOx catalyst in the sealed test electrolyzer was 66% lower than that of the commercial catalyst. In the case of the Gas diffusion layers, the best performance was found at a torque of 150 Ncm with the Gas diffusion layer with the macroporous layer of stainless steel, the same durability was had between the Gas diffusion layer type stainless steel and the Gas diffusion layer of titanium coated with Nb. An outstanding result in this evaluation was that the membrane-electrode assembly showed the greatest contribution to the increase in potential as a function of operating time (1008 h), which will allow the use of low-cost materials (stainless steel).