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Abstract

En el siguiente proyecto se ha llevado a cabo la síntesis de varios tipos de xerogeles de carbono, obtenidos modificando las condiciones de síntesis. Se ha estudiado el efecto de dichas condiciones en la conductividad eléctrica de los materiales obtenidos. Posteriormente, se han escogido tres xerogeles que se han sometido a diversos tratamientos de funcionalización con el fin de modificar su química superficial. Se ha estudiado la cantidad de grupos oxigenados que se consigue introducir en la estructura del soporte con cada tipo de tratamiento. Baquedano Perálvarez, Estela; Teruel Maicas, María Isabel; Lázaro Elorri, María Jesús; Alegre Gresa, Cinthia

Full text

      CURSO ACADEMICO 2009-2010 A utora:EstelaBaquedanoPerálvarez Directora:MªIsabelTeruel DirectorasCSIC:MªJesúsLázaro CinthiaAlegre P PR RO OY YE EC CT TO OF FI IN ND DE EC CA AR RR RE ER RA A FUNCIONALIZACIÓN DE XEROGELES DE CARBONO COMO SOPORTE DE ELECTROCATALIZADORES PARA PILAS DE COMBUSTIBLE DE METANOL DIRECTO    INSTITUTODECARBOQUÍMICA    FUNCIONALIZACIÓNDEXEROGELESDECARBONO COMOSOPORTEDEELECTROCATALIZADORES PARAPILASDECOMBUSTIBLEDEMETANOL DIRECTO   MEMORIA  RealizadaenelDepartamentodeEnergíayMedioAmbientedel InstitutodeCarboquímica(CSIC)bajoladireccióndelaDra.MªJesúsLázaroElorriydeCinthia AlegreGresa.    Fdo.MªJesúsLázaroElorri   Fdo.CinthiaAlegreGresa    Quisieraagradeceratodaslaspersonasquehan hechoposibleesteProyecto. Agradecer especialmente a la Dra. M. J. Lázaro ElorriyaCinthiaAlegreGresadirectoresdeeste Proyecto por el CSIC, por su interés, dedicación, paciencia e inestimable ayuda, sin los cuales no hubierasidoposibleculminaresteProyecto. AlDr.RafaelMolinerÁlvarez,responsabledel grupo de conversión de combustibles fósiles y valoración de residuos, por permitirme realizar esteProyectoenestegrupodeinvestigación. AElenaGálvezParrucaporsucolaboracióny ayudadesinteresadas. A la Dra. Mª Isabel Teruel Maicas, profesora del Departamento de Química Orgánica y Química FísicadelaEUITIZ,DirectorayCoordinadoradel ProyectoenlaUniversidad. AlDr.JuanAdánez,DirectordelInstitutode Carboquímica, por permitirme realizar este proyectoenlasinstalacionesdelcentro. AtodaslaspersonasdelgrupodeConversiónde Combustiblesporsubuenambientedetrabajo. Mismássincerosagradecimientosamifamiliay amigos, por el apoyo y la ayuda que me han prestado.     ÍNDICE  1.OBJETIVOS.........................................................................................................................1 2.INTRODUCCIÓN...............................................................................................................7 2.1ECONOMÍADELHIDRÓGENOYPILASDECOMBUSTIBLE.......................................7 2.1.1Laproblemáticaenergética............................................................................................7 2.1.2.Elhidrógenoenelcontextoenergéticofuturo......................................................8 2.1.3.Laspilasdecombustible..............................................................................................11 2.1.4.Pilasdecombustibledemetanoldirecto(DMFC)............................................16 2.2ELECTROCATALIZADORESYSOPORTESPARADMFCs.........................................18 2.3XEROGELESDECARBONO...................................................................................................20 2.3.1Introducción......................................................................................................................20 2.3.2Métododesíntesis...........................................................................................................21 2.3.3Tratamientoprevioalsecado.....................................................................................24 2.3.4Secado...................................................................................................................................25 2.3.5Pirólisis.................................................................................................................................26 2.3.6Variablesqueinfluyenensupreparación.............................................................26 3.PROCEDIMIENTOEXPERIMENTAL........................................................................33 3.1PROCEDIMIENTOSOL‐GELDEPOLICONDENSACIÓN............................................33 3.2FUNCIONALIZACIÓN..............................................................................................................39 3.3CARACTERIZACIÓN.................................................................................................................42 3.3.1Fisisorcióndenitrógeno...............................................................................................42 3.3.2Desorciónatemperaturaprogramada(TPD).....................................................43 3.3.3Oxidaciónatemperaturaprogramada(TPO)......................................................45 3.3.4Conductividadeléctrica.................................................................................................46 3.3.5MicroscopíaElectrónicadeBarrido(SEM)...........................................................48 4.RESULTADOS.................................................................................................................53 4.1FISISORCIÓNDEN2.................................................................................................................53 4.1.1VariacióndelarelaciónR/C:......................................................................................53  4.1.2VariaciónenlarelaciónR/F:.....................................................................................56 4.1.3Variaciónsegúndisolvente:........................................................................................57 4.1.4Variaciónsegúncatalizador:.......................................................................................58 4.1.5.Variaciónsegúnprecursor:........................................................................................59 4.2DESORCIÓNATEMPERATURAPROGRAMADA(TPD)............................................64 4.3CONDUCTIVIDADELÉCTRICA............................................................................................66 4.4OXIDACIÓNATEMPERATURAPROGRAMADA(TPO).............................................71 4.5MICROSCOPÍAELECTRÓNICADEBARRIDO(SEM)..................................................76 5.CONCLUSIONES.............................................................................................................81 5.1CONCLUSIONES........................................................................................................................81 5.2TRABAJOFUTURO...................................................................................................................83 6.BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................87 6.1ARTÍCULOSYLIBROS............................................................................................................87 6.2PÁGINASWEB..........................................................................................................................90                         II.INTRODUCCIÓN  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  7  2. INTRODUCCIÓN  2.1ECONOMÍADELHIDRÓGENOYPILASDECOMBUSTIBLE  2.1.1Laproblemáticaenergética  Laenergíaesindispensableparalaseconomíasdetodoslospaíses,tanto paralasactividadesdesussistemasproductivos,comoparalossectoresfinales: industria,transporte,agricultura,etc.  Lamayorpartedelaenergíaseobtienedeloscombustiblesfósiles,como sonelcarbón,elpetróleoyelgasnatural.Entrelostressuponencasiel90%dela energíaempleadaenelmundo.Laenergíaseobtienealquemarestosproductos, procesoenelque seformangrandescantidadesdedióxidodecarbonoyotros gases contaminantes que se emiten a la atmósfera, dando lugar, entre otros, al lamentablemente bien conocido y terriblemente dañino, efecto invernadero, responsabledirectodelcambioclimático.  Estos combustibles son fuentes de energía no renovables, es decir que cantidadesquehantardadoenformarsemilesdeañosseconsumenenapenas minutos, lo que supone que las reservas de estos combustibles estén disminuyendoaunritmocreciente.Esimprescindibledestacarelgranerrorque suponequemarpetróleoparaobtenerenergía,cuandoéstapodríaobtenersede otrasformasyprocedimientosquenoseanlameracombustióndelos hidrocarburos.  Porotraparte,laimplantacióndelaenergíanuclearplanteaungrandebate entre detractores y partidarios de la misma. En países como Francia supone la  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  8  fuente de energía más empleada, sin embargo, otros países desarrollados han establecidomoratoriasparasusprogramasnucleares.  Las energías renovables, si bien se encuentran en franca expansión, no puedencubrirlatotalidaddelademandaenergética,porloquenosolucionanpor completolaproblemáticaenergética.   Enestecontextoseperfilaelhidrógenocomonuevovectorenergéticodel futuro al tener el potencial de crear una economía basada en la sostenibilidad, ademásdeconseguirreducirlasemisionesdedióxidodecarbono,mitigandolos efectosdelcalentamientoglobal[1].   2.1.2.Elhidrógenoenelcontextoenergéticofuturo  El hidrógeno posee una gran versatilidad, ya que puede obtenerse de múltiplesformas(apartirderecursosprimariostantofósilescomono‐fósiles).De estemodo,lasinfraestructurasdeproducciónpodríanadaptarsealosrecursos queesténdisponiblesencadaregión,locualfavorecelaseguridadenergéticay podría facilitar la transición a un sistema de energía sostenible. Hoy en día aproximadamenteel96%delhidrógenoseobtieneapartirdecombustibles fósiles,comosemuestraenlaFigura1.Otrosistemadeproducciónbasadoen fuentesnofósilesseríalaelectrólisisdelagua(querepresentael4%),quepuede llevarse a cabo mediante energía solar, eólica o hidráulica como fuentes de electricidad.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  9  Figura1:ProduccióndeHidrógeno(agenciainternacionaldelaenergíaabril2007)  Laprincipalventajadeobtenerhidrógenomedianteelectricidadgeneradaa partirdeenergíasrenovablescomolaeólica,solar,biomasaohidráulicaesque constituyeunprocesocíclicolimpio,siendoelhidrógenoelvectorenergéticodel ciclo(Figura2)[2,3]. Enlafigurasemuestraelesquemacíclicodelhidrógeno.Enesteprocesoel aguaesseparadaenhidrógenoyoxígeno.Elhidrógenoestrasportado,almacenado y distribuido a los centros de consumo, donde puede ser usado para diversas aplicaciones. Después de su uso como combustible, el hidrógeno vuelve a convertirseenvapordeaguaporcombinaciónconeloxígeno,elcualesreciclado nuevamentealatierraenformadelluvia.Porsuparte,eloxígenoproducidopuede serliberadoalaatmósfera,serutilizadoenindustriasyciudades,ousarseparala mejoraambientalderíosylagos.   Petróleo 18% GasNatural 48% Carbón 30% Electrolisisagua 4%  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  10   Figura2:Cicloidealdelhidrógeno.  Resumiendo,elhidrógenonocontienecarbonoqueseliberealaatmósfera; latecnologíaparautilizarloexisteysucostosevaairreduciendogradualmente conformeavanzalainvestigación,mientraselcostodedescubrir y producir hidrocarburosaumenta.Elefectoquetendríalautilizacióndelhidrógenosobrelas emisionesdeCO2sepuedeobservarenlaFigura3.  Figura3:PrevisióndedescensodeemisionesdeCO2,conunaeconomíaorientada alhidrógeno[4]. H H 2 2 H H 2 2 O O ALMACENAMIENTO ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE Y TRANSPORTE CONSUMO CONSUMO PRODUCCI PRODUCCIÓ ÓN N ENERGÍAS RENOVABLES O O 2 2 O O 2 2 H H 2 2 H H 2 2 O O ALMACENAMIENTO ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE Y TRANSPORTE CONSUMO CONSUMO PRODUCCI PRODUCCIÓ ÓN N ENERGÍAS RENOVABLES O O 2 2 O O 2 2  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  11  Elhidrógeno,comovectorenergético,presentamúltiplesaplicacionescomo elempleoenequiposdecombustiónparageneracióncombinadadecalory electricidad, su utilización en motores de combustión interna ypilasde combustible para propulsión eléctrica en el transporte; si bien estas últimas acabaranimponiéndosealosmotoresdecombustióninternaporsus innumerables ventajas. Como ventaja más notable cabe destacar su elevada eficiencia. Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química directamente en energía eléctrica, con lo cual se evitanlaslimitacionestermodinámicasdelciclodeCarnotdecualquiermáquina térmica,repercutiendoenunamayoreficiencia.Ademásseconsigueminimizarla emisióndesustanciascontaminantesaprácticamentenulas[24]. 2.1.3.Laspilasdecombustible  Laspilasdecombustiblesondispositivoselectroquímicos,formadospor variasceldasinterconectadas,queconviertendirectamentelaenergíaquímicade un combustible en energía eléctrica de tipo continua y calor. Las pilas de combustiblesediferenciandelasbateríasenquelasúltimassepuedenconsiderar dispositivos de almacén de la energía, en función de la cantidad de reactivos químicosquetienelabatería.Cuandoestosreactivosseagotan,labateríadejade producirenergíaeléctrica,mientrasquelapilasealimentadeformacontinua.  Unapiladecombustibleestáconstituidabásicamentepor:  ‐ elánodo,electrodonegativoenelquesellevaacabolareacción deoxidacióndelcombustible. ‐ elcátodo,electrodopositivoenelquesellevaacabolareducción. ‐ elelectrolito,unasustanciaquefacilitaelpasodelosionesentre loscompartimentosanódicoycatódico,tambiénconducecarga  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  12  iónicaentreloselectrodosyporlotantocompletaelcircuito eléctricodelacelda.Ademásproporcionaunabarrerafísicapara impedir que las corrientes de gas combustible y oxidante se mezclendirectamente.  Figura4:Esquemadeunapiladecombustible.  Enlapila de combustible (Figura 4), el combustible gaseoso sealimenta continuamente al compartimiento anódico, mientras que el compartimento catódicosealimentaconunoxidante.  Lasreaccioneselectroquímicas,quevaríandependiendodeltipodepilade combustible considerado, tienen lugar en los electrodos para producir una corrienteeléctricacontinua.Amododeejemplo,enunapiladecombustiblede membranadeintercambioprotónico(PEMFC),lasreaccionesquetienenlugarson lassiguientes:   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  13  Ánodo:   eHH 22 2 Cátodo: OHeHO 22 22 2 1   Reacciónglobal: caloradelectricidOHOH  222 2 1  Las pilas de combustible se pueden clasificar atendiendo a distintos criterios,entreloscualeslosmás comunes son su clasificación según la temperaturadetrabajoysegúnelelectrolitoutilizado.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  20  2.3XEROGELESDECARBONO  2.3.1Introducción  Losgelesdecarbonosonunosmaterialesúnicos,queestánsiendoobjetode ungraninterésdesdehacemásdeunadécadadebidoasugranpotencial.Existe una gran diversidad de geles dependiendo de los precursores utilizados y del métododeelaboración.Setratadematerialescarbonososformadosporcadenaso aglomerados tipo coloidal de partículas poliméricas, con un diámetro típico de unos10nm.Estetipodenanoestructuraeslaresponsabledeunaspropiedades únicas:térmicas,acústicas,ópticas,eléctricasymecánicas.Además,sonmateriales quepresentanunaredinterconectadadeporosentrepartículasyenlaspropias partículas,porloquesetratadematerialescarbonososconungrandesarrollo textural: alta porosidad (>80%) y áreas superficiales (400‐800 m2/g),yporlo tanto muy interesantes para distintas aplicaciones relacionadasconreacciones heterogéneas(catalíticas,adsorción,almacenamientodegases,etc.). Por otra parte, se ha encontrado que presentan una conductividad térmica extremadamente baja, debido a su estructura ultraporosa, y que esta última controlatambiénelcomportamientodeestematerialencondensadoresdedoble capaeléctrica.  Pekalaycol.fueronlosprimerosensintetizargelesderesorcinolformaldehídodeacuerdoconelmétododepreparaciónsol‐gel,deformaanálogaa la síntesis existente en óxidos inorgánicos [7]. A partir de estos estudios preliminares,hanaparecidogrannúmerodepublicacionesquedescribentantolas condicionesdesíntesisyprocesadoquepuedenutilizarseparaobtenerxerogeles orgánicosycarbonosos,comolosefectosdedichascondicionesenlaestructura final.Todosestostrabajoshanmostradolasingularidaddelaspropiedadesfísicas yquímicasdelosxerogeles[29].   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  21  Losxerogelesdecarbonosuelentenerunamicro‐ymesoporosidadbien desarrollada de la cual se puede controlar su tamañomedio. Dichos materiales presentanunareddepartículasprimariasinterconectadasaescalananométrica, conunaconformaciónquerecuerdaaunaestructuracoralina.Eltamañodeestas partículasprimariassueleestarentre3y25nm.Lamicroporosidadselocalizaen elinteriordedichaspartículasprimarias,mientrasquelosmeso‐ymacroporosse formanenlosespaciosvacíosentreestaspartículas[8].Unadelasventajasdelos xerogelesdecarbóncomomateriales porosos es la posibilidad de controlar el volumendemicroporosymesoporosdeformaindependiente.Lascaracterísticas texturalesdependendela naturalezayla concentracióndelos precursores,del procesodecurado,métododesecadoydelascondicionesdecarbonización[9].  2.3.2Métododesíntesis  Partiendodelascondicionesinicialesóptimas,seproducelapolimerización catalizadayendotérmica[9]delosprecursoresparaformarlaestructuraconocida comoaquageloliogel.Laestructuraycaracterísticasdelgelcarbonosodependen bastantedeestareacciónydelascondicionesenlasquetienelugar.Las principalesreaccionesentreelresorcinolyelformaldehídosonlasreaccionesde adición para formar grupos hidroximetil, y la condensación posterior de estos gruposparaformargruposmetilenoypuentesmetilén‐étercomopuedeverseen laFigura6.Laadicióndeuncatalizadordecarácterbásicoesimportanteparala formacióninicialdelosanionesderesorcinolenlareaccióndeadición,activando deestaformaelanilloparaformarelgrupohidroximetil,queesesencialparalas siguientes reacciones de condensación. En verdad, estrictamentehablando,el carbonatodesodio(generalmenteempleadocomocatalizadorbásico),noesun catalizadorpropiamentedicho.SuprincipalpapeleseldeaumentarelpHdela disolución acuosa resorcinol‐formaldehído, aumentando la relación OH‐/H+. Los cationesNa+nointervienenenlareaccióndepolimerización,sonlosaniones 2 3 CO  los que basifican la disolución. Si bien, se ha demostrado que la relación resorcinol/catalizador influye en las propiedades finales del gel, es decir, una  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  22  mayoromenorcantidaddecatalizador,yporlotanto,unpHmásomenosbásico, (queeselparámetroqueenverdadinfluyeenlapropiedadfinaldel gel), dará lugaraxerogelescondistintaspropiedadesfísico‐químicas.Porestemotivo,en esteproyectomantendremoslanomenclaturadecatalizador,cuando nos refiramosalcarbonatodesodio,puestoquesehallevadoacabounestudiodela influenciadelarelaciónR/Cenlaspropiedadesfinalesdelgel.  Estemecanismoproduceclustersaltamenteentrecruzados(7‐10nm)[10] comoseveenlaFigura7.Trasestaetapa,laspartículasdelpolímerocomienzana agregarseenunaestructurainterconectadaquerecuerdaauncoral,lacualocupa elvolumenoriginaldeladisolución.         Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  23  1.Reaccióndeadición:    2.Reaccióndecondensación:  Figura6:Mecanismodepolimerizaciónderesorcinolyformaldehido.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  24  Figura7:Procesodeformacióndelgel. 2.3.3Tratamientoprevioalsecado  Este tratamiento consiste en la sustitución del H2O,utilizadocomo disolvente,quehayapodidoquedarenelgeltrassucurado,por un disolvente orgánico,comoporejemploacetona.  Lasustitucióndeldisolventeevitaelcolapsodelaestructuraporosadelgel durante el secado, debido a las tensiones superficiales generadasporla evaporacióndeldisolvente.  Para llevar a cabo este proceso, se muele el gel obtenido del curado y a continuaciónselavaconeldisolventeorgánico.Unavezlavadosedejaduranteun díaenreposoenpresenciadedichodisolvente,ypasadoesetiempoeslavadode nuevoconeldisolventeorgánico.     Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  25  2.3.4Secado  Elsecadodelgelsepuedellevaracabopordistintosmétodos,variandolas característicasdelgelenfuncióndelmétodoescogido.  ‐ Alaire→Xerogeles:Songelesmuydensosycolapsadosrespecto a la estructura original lo que afecta fundamentalmente a los poros>1Ǻ.Estosedebealastensionessufridasentrelasfases gasylíquidadeldisolvente.Ungelpuedesersecadoalairesin grandes cambios en la estructura cuando tiene una resistencia mecánicasuficienteparasoportarlastensionesenloscapilares (en la microporosidad). Esto se produce cuando se usan relacionesR/Caltas(tamañosdepartículamayoresde100nm)o cuandoserealizaunreforzamientodelgelmedianteinclusiónde fibrasderefuerzoenlamezclainicial.Estesecadoesmásrápido, simpleybaratoquecualquierotroproceso.  ‐ ConCO2supercrítico→Aerogeles:Songelesqueconservanla estructura original del gel orgánico. Esto se lleva a cabo sustituyendo el disolvente orgánico (metanol, acetona, isopropanol, etc.) de los poros, por otro con menor tensión superficial(generalmenteCO2líquido),yposteriormente,selleva eldisolventeacondicionessupercríticas(CO2:a45°Cy11MPa) dondedesapareceelmeniscoentrelasdosfases,minimizandola tensiónyconsiguiendomantenerlaestructuraporosadelgel.  ‐ Criogénico →Criogeles: Este método consiste en congelar el disolvente en el interior del gel y eliminarlo mediante sublimación, sorteando la formación de una interfase vaporlíquido.Sinembargo,apesardequenoseesperalageneración  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  26  deestasinterfases,síseproduceunpequeñoencogimientodel gel.Songelesligerosymesoporososqueconservanlaestructura originaldelgelorgánico,consuperficiesporencimadelos800 m2/gyvolúmenesdeporossuperioresalos0,55cm3/g.Antesde comenzar este secado, es muy importante intercambiar el disolventeacuosoconotrolíquidoalternativo(comotercbutanol) que no tenga variaciones importantesen su densidad cuandocambiaaestadosólido.  2.3.5Pirólisis  La pirólisis del xerogel orgánico permite obtener un xerogel decarbón prácticamentepuro.Esteprocesosueletenerlugarenunhornoconunflujodegas inerte(N2,Ar,He).Latemperaturadepirólisissueleestarcomprendidaentre600 y1000°C,aunqueenalgunoscasosseharealizadoatemperaturas superiores comolos2100°C.  La velocidad de calentamiento debe ser pequeña para evitar grandes tensionesenelesqueletodelxerogeldebidoalasalidadegasesdesdeelinterior delmismoprocedentesdelapirólisisdelosprecursoresorgánicos.Lapérdidade masadurantelapirólisissuelerondarel50%dependiendodelatemperatura.  Elprocesodepirólisisaumentaelnúmerodemicroymesoporos,loque conduceaunaumentodeláreasuperficialenlosxerogelescarbonosos.  2.3.6Variablesqueinfluyenensupreparación   Comoyasehamencionadoanteriormente,laspropiedadesdelosxerogeles decarbonovarían considerablementeenfunciónde lascondicionesdesíntesis.  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  27  Entre las variables que más influyen en las propiedades finalesdelgel, encontramos:   pHinicial:Puedeafectara:  ‐ Áreasuperficial ‐ Volumendeporos ‐ Distribucióndetamañodeporo ‐ Tiempodegelación ‐ Nanoestructuradelgeldecarbono  ElrangodepHdetrabajo:5,4<pH<7,2  ‐ pHs > 7,2 dan lugar a menos reacciones de condensación (encargadasdeformarlaestructuradelgel).Seformangelescon débil estructura porosa (sin área superficial ni volumen de poros),además,nosoportanlosprocesosdesecadoypirólisis,lo queprovocauncolapsodelaestructura.  ‐ 5,4<pHs<7,2promuevenlareaccióndecondensación.Forman gelesconunaltogradodeentrecruzamientoyunaestructura muyfuerte,porloquesoportanbien los tratamientos a alta temperatura,manteniendosuestructuraporosa.  ‐ pHs<5,4provocalaprecipitacióndelosreactantes,dandolugar amaterialesnoporosos.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  28  SiaumentaelpHenelrangodetrabajo:  ‐ Aumenta el área superficial y el volumen de poros de los aerogeles. ‐ Noexisteefectosignificativoenáreasuperficialdelosxerogeles. ‐ Aumentaelvolumendeporodelosxerogeles(siseusanaltas densidadesdelosreactivos). ‐ Aumentalacapacitanciaelectroquímicadelosxerogeles.   Relacionesmolaresdereactivos(R(resorcinol)/C(catalizador), R/F(formaldehido)yR/W(disolvente)).Suponiendoquesellevaacabo una disminución de todas las relaciones  molares, el efecto en las propiedadesdelosgelesfinalessería:  ‐ Aumentaoreduceelvolumendemicroporos(enfuncióndelpH). ‐ Menornúmerodehuecosenlaestructura. ‐ Partículasytamañosdeporomáspequeños. ‐ Aumentodeláreasuperficialdelosxerogeles.  EnlaFigura8sepuedeverelefectodelarelaciónR/Cenlaestructuradel gel.  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  29    Figura8:a)BajarelaciónR/C.b)AltarelaciónR/C.    Efectodelacantidaddecatalizador:Lacantidaddecatalizadorutilizada influyeenlapolimerizacióndelgelyportantoenla morfologíadelmismo,comopuedeverseenlaFigura9.  ‐ Altas concentraciones de catalizador: geles muy polimerizados(frágiles,durosyrígidos). ‐ Bajas concentraciones de catalizador: polimerización parcial(gelesdurosporfuera,blandospordentro).   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  36   Figura13:Muestrasalfinaldelcurado.  EnlaTabla2semuestranlosdiversosgelespreparadosylasrelaciones molaresdereactivosempleadasencadaunodeellos,donde:  - P/C = relación molar precursor/catalizador. El precursor empleado mayoritariamentefueresorcinol,salvoenelcasodelamuestraEquese empleópirogalol. - P/F=relaciónmolarprecursor/formaldehído.     A_1 A_1 A_2 A_2 Curado 120h Tª85°C  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  37  Tabla2:Relacionesmolaresdelosdistintosgelessintetizados. MuestraP/CP/FDisolventeCatalizador A_1 50 0.25  AguaNa2CO3 A_20.50  A_31.00  A_4 0.50  Acetona A_5 Agua H2SO4 B800 Na2CO3 C1500 E*0.330.33 AguaH2SO4  Unavezgelificadosycuradoslosdistintosgelesorgánicos,seprocedióa realizar un tratamiento previo al secado, consistente en la sustitución del disolventeutilizado,poracetona.Comoseexplicóanteriormentelasustitucióndel disolvente, evita que durante el secado, las tensiones producidas en los poros, colapsen la estructura del gel, al ser la tensión superficial de la acetona considerablementemenorquelatensiónsuperficialgeneradaporelaguaenlos poros.  Para llevar a cabo este proceso, se molió el gel obtenido del curado y a continuaciónselavóconacetona.Unavezlavado,semantuvosumergido en acetonadurante3días,remplazándolacadadíaconacetonafresca.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  38   Figura14:MuestraA_2despuésdellavado  Trasestaetapa,seprocedióalsecadoenestufadelosgelesobtenidos durante5horasa65°C,y5horasa108°C.   Figura15:MuestraA_2despuésdelsecado.  Porúltimo,sellevóacabolapirólisisdelosxerogelesorgánicos para transformarlos en xerogeles de carbono. Dicho proceso se llevó a cabo en un cilindrofabricadoenacero(comosemuestraenlaFigura16),haciendopasaruna corrientede100mL/mindeN2concalentamientodesdetemperaturaambiente  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  39  hasta 100°C con una rampa de temperatura de 5°C/min. Alcanzada esta temperatura, se mantuvo la misma durante 30 min, para eliminar la posible humedadquetengaelmaterial.Posteriormente,secalentóhasta800°Cdurante3 horasaplicandolamismarampadetemperatura.   Figura16:Plantadondesellevaacabolapirólisis.  3.2FUNCIONALIZACIÓN  Una vez carbonizados los xerogeles, se seleccionaron tres muestras con diferentespropiedadestexturalesconelfindesometerlasadiversostratamientos defuncionalización.Lafinalidaddelafuncionalizaciónconsisteenlacreaciónde grupos oxigenados superficiales de manera que estos puedan servir de anclaje paraelmetalqueactuarácomofaseactivadelelectrocatalizador[11].   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  40  Enelpresenteproyecto,sehanllevadoacabotrestratamientos de funcionalización distintos, para estudiar el efecto de cada unodeellosenla químicasuperficialdelsoporte.Lostratamientosrealizadosfueron:  i) Oxidaciónenfasegas(5%O2) ii)Oxidaciónenfaselíquida(HNO3) iii)Oxidaciónconunadisolución7MdeHNO3enunequipodeextracción Soxhlet.  Acontinuaciónsedetallaráenquéconsistierondichostratamientos:  i) Oxidaciónenfasegas(5%O2):Eltratamientosellevóacabo introduciendolamuestraenunreactordecuarzohaciendopasaruncaudalde 200mL/mindeunamezclaal5%deO2enN2,aumentandolatemperaturahasta 400⁰C,conunarampadetemperaturade10°C/min,durante5horas.  ii)Oxidaciónenfaselíquidaconácidonítrico(HNO3):SeempleóHNO3 (65%)durantedos horas. Sepesaron3 g de muestracarbonosa,alaquesele añadió80mLdeagenteoxidante(yaseaHNO32MoHNO3(65%)),semantuvoen agitación magnética y con reflujo durante el tiempo requerido. Transcurrido el tiempodeoxidación,sefiltróladisoluciónyselavóconabundante agua desionizadaparaeliminarlosrestosdeácido,hastaobtenerpHneutro.Porúltimo, sesecólamuestraenunaestufaa108°Cdurante24h.  iii)Oxidaciónconunadisolución7MdeHNO3enunequipode extracciónSoxhlet:Elinstrumentoconsisteenunmatrazdebaseredondaque contieneeldisolventevolátil,enestecasounadisoluciónde300mldeHNO37M, uncontenedorintermediodevidrioenelcualsecolocalamuestradentrodeun  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  41  cartuchoqueestáabiertoensupartesuperiorsiendoporosoaldisolventeyala posteriordisolucióndelanalitounidoaunrefrigerantedevidrio(verFigura17).   Figura17:Montajesoxhlet.  Elmatrazsecalentóenunbañoconaceitedesiliconahasta150°C,detal formaqueeldisolventeseevaporó.Elvapordeldisolventeatravesóelcartucho que contiene la muestra ascendiendo por el contenedor hasta el refrigerante. Cuando el vapor del disolvente llegó al refrigerante, condensó y cayó en forma líquidadenuevoendirecciónalmatrazpero,ensucamino,estegolpeó con la muestraoxidándola.Transcurridoeltiempodeoxidación,seextrajoelcontenido del cartucho (muestra oxidada + restos de disolvente), se filtró y se lavó con abundanteaguadesionizadaparaeliminarlosrestosdeácido,hastaobtenerpH neutro.Porúltimo,sesecólamuestraenunaestufaa108°Cdurante24h.    Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  42  3.3CARACTERIZACIÓN  3.3.1Fisisorcióndenitrógeno  Laadsorciónfísicadegasesyvaporesensólidosesunadelastécnicasmás usadasparaelestudiodelatexturaporosadesólidosdetodotipo. En la caracterizacióndelatexturaporosadeunsólidolosparámetrosadeterminarson eláreasuperficial(osuperficieespecífica),elvolumendeporosyladistribuciónde tamañodeporosdelasmuestrasmedianteelestudiodelasllamadas“isotermas deadsorción”.  El análisis de estos resultados puede llevarse a cabo a través de varios métodossemiempíricos.Enel presenteproyecto seha utilizadoel métodoBET (Brunauer,EmmettyTeller)paracalculareláreasuperficialespecífica,juntoconel métodoBJH(Barrett,JoyneryHalenda)paraelcálculodelvolumendemesoporoy elmétododetPlotparaelcálculodelvolumendemicroporo.  Ladeterminacióndeestosparámetrosserealizamediantelaadsorciónde ungas(N2,CO2,hidrocarburos,etc.)atemperaturaconstante,enestecasoN2a77 K,obteniéndoseasílaisotermadeadsorción.Dichaisotermasedeterminabien gravimétricamente (donde se mide la ganancia de peso experimentada por la muestracomoconsecuenciadelaadsorción,acadapresiónrelativadegas),y/o bien volumétricamente (donde la cantidadadsorbidasecalculamediante la aplicacióndelasleyesdelosgasesalapresiónyvolumendeadsorbatoantesy después de la adsorción). Con la isoterma de adsorción de N2 se obtiene informacióndeporosinferioresa20Åhastaporosde4000Å.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  43  Dichosanálisissehanllevadoacaboenelequipoparamedidas volumétricasdeadsorciónMicromeriticsASAP2020quesemuestraenlaFigura 18.  Figura18:Equipodeadsorcióndegases  3.3.2Desorciónatemperaturaprogramada(TPD)  Esta técnica de caracterización consiste en analizar las especiesquese desorbendeunmaterialsólidocuandosesometeaunprogramadetemperatura entre unos ciertos valores. En nuestro caso es de gran utilidadparala determinación de la química superficial de materiales carbonosos. Para ello se hacepasarungasinertemientrassecalientalamuestrayseanalizanelCOyelCO2 desorbidos.  LascantidadesdeCOyCO2desorbidasaunaciertatemperaturasepueden identificar con los grupos oxigenados que los generan [12]. Asípues,abajas temperaturaslosácidosfuertestalescomolosgruposcarboxílicos,anhídridosy lactonas,sedescomponenyproducenCO 2. Por otro lado los grupos básicos, neutrosylosácidosdébilestalescomogruposfenoles,carbonilosyquinonasse descomponenenCOaelevadastemperaturas(comosemuestraenlaFigura19).  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  44   Figura19:GruposácidosybásicosobservadosenTPD  El equipo utilizado para los análisis TPD es un  Micrometrics Pulse Chemisorb 2700. El reactor utilizado es de lecho fijo, fabricado en cuarzo con formadeUporelquesehacepasarcontinuamenteuncaudalde30mLSTP/minde Helio.Elreactorsecolocaenelinteriordeunhornodotadodeuncontroladorde temperaturaMicrometricsquecalientael reactorauna velocidadde10°C/min, desdelatemperaturainicialde150°Chastalatemperaturafinalde1050°C,ala queseconsiderandesorbidostodoslosgruposqueseformanduranteelproceso deoxidaciónalquesesometenlosxerogeles.Losgasesdesorbidosdelamuestra (COyCO2juntoconelHelio)fueronrecogidosenbolsasseparadasenintervalosde 100°Cyelanálisisdelosgasescontenidosserealizóenuncromatógrafodegases HP‐5890.  Esta técnica se usa en la caracterización de depósitos carbonosos, para obtener información precisa acerca de la cantidad (por el área delospicos), estructura(porlatemperaturaalaqueseproducelacombustión)ynaturaleza química(enfuncióndelasmoléculasqueseformandurantelacombustión)de dichosdepósitoscarbonosos.LadeconvolucióndelosperfilesdeCOyCO2sellevó a cabo mediante ajuste de mínimos cuadrados, suponiendo contribuciones Gaussianas,centradasalastemperaturascorrespondientesaladescomposiciónde  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  45  losdiferentestiposdegruposoxigenadossuperficialestalycomosehadescrito anteriormenteenlaliteratura[13].   3.3.3Oxidaciónatemperaturaprogramada(TPO)  Los experimentos de oxidación a temperatura programada consisten en hacerpasarungasoxidanteatravésdelamuestraalmismotiempoque seva aumentandolatemperaturadeformaprogramada.  Estos experimentos dan idea de la estabilidad de estos materiales, indicandolacantidaddecarbonogasificadoylatemperaturaalaqueseproducela gasificación.  Estos experimentos se llevaron a cabo en una termobalanza a presión SETARAMequipadaconunsistemademezcladegasesquepermiterealizar experimentostantoapresiónatmosféricacomoaaltapresión(hasta100bares)en unflujodegasdecomposiciónycaudalpredefinidos.  Figura20:InstalacióndelequipodeTPD            Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  53  4. RESULTADOS  4.1FISISORCIÓNDEN2   A)Variacióndelaspropiedadestexturalesenfuncióndelascondicionesde síntesis   La variación de las condiciones de síntesis de los xerogeles de carbono, resultaenunamodificacióndesuspropiedadesfísico‐químicas.Acontinuaciónse describecómoafectandichascondicionesdesíntesisalaspropiedadestexturales delosmaterialesobjetodeestudio.Lasvariacionesquesehantenidoencuenta sonlassiguientes(entodosloscasossetomacomoreferencialamuestraA_2,por seraquellacuyarelaciónP/Feslamáscomúnmenteempleadaenlabibliografía,al tratarsedelarelaciónestequiométrica,yporhabersidopreviamenteestudiadaen elgrupo):  ‐ RelaciónResorcinol/Catalizador(R/C) ‐ RelaciónResorcinol/Formaldehído ‐ Disolvente ‐ Catalizador ‐ Precursor  4.1.1VariacióndelarelaciónR/C:   Acontinuaciónsemuestranlosresultadosobtenidosdelacaracterización porfisisorciónde N2.Apartirdelanálisisdelasisotermasdeadsorcióndelos  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  54  materialescarbonosossintetizados,sepudocalculareláreasuperficialespecífica, quecondicionaráladispersióndelafaseactiva(Pt)enelelectrocatalizadorfinal. Tambiénsecalculóelvolumendeporoysudistribucióndetamaños,propiedades queintervienendirectamenteenladifusividaddegasesylíquidosatravésdela estructuraporosadelsólido.Sehacalculadotambiénelporcentajedelvolumen totaldeporosquecorrespondenalacontribuciónporpartedelosmesoporos, puestoquelapresenciadeestetipodeporosresultadegranimportanciaenla aplicacióndeestosmaterialescomosoportedeelectrocatalizadores.  DelaTabla 3se desprende que las muestras A_2 y B son altamente mesoporosas,tantoenárea(másdel50%)comoenvolumen(másdel84%),con valores de área superficial específica (SB.E.T Total) alrededor de los 530 m2/g y volúmenes de poro (Vtotal) entre 1,02 y 1,79 cm3/g. El tamaño medio de poro, calculadoconelmétodoBJH,estáentre12nmy23nm,dentrodelrangodela mesoporosidad(2‐50nm).  Encuantoalainfluenciadelascondicionesdesíntesis,seobservaqueun aumentomoderadoenlarelaciónresorcinol/catalizador(muestraB)provocauna ligeradisminucióndeláreasuperficialespecíficatotalydelvolumendeporotaly comoseencuentradescritoenestudiospreviamentepublicados[14].Sibienal mismotiempotienelugarunaumentodeltamañomediodeporo[15], lo que puedebeneficiarlaaplicacióndeestematerialcomosoportede electrocatalizadoresparapilasdecombustibleyaquefavorecenosólounabuena deposicióndelmetal,sinotambiénelaccesodelosreactivosalafaseactiva[16].   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  55  Tabla3:Propiedadestexturalesdelossoportespreparados,obtenidasmediante fisisorcióndeN2.  MuestraA_2BC Áreasuperficial(m2/g)533,6528,4404,7 Áreamicroporosa(m2/g)216,7 261,9 353,1 Áreamesoporosa(m2/g)316,9 266,5 51,6 %áreacorresponientea mesoporos59,450,412,8 VolumenTotalporo (cm3/g)1,07 1,79 0,27 Volumenmicroporoso (cm3/g)0,11 0,15 0,20 Volumenmesoporoso (cm3/g)0,96 0,86 0,06 %Volumen correspondientea mesoporos 89,4 84,9 23,9 Diámetromediodeporo (nm)11,7 23,3 6,3     Cuando el aumento de la relación resorcinol/catalizador es más significativo(muestraA_2vs.C),seproduceunamayordisminucióntantodelárea superficial específica (404,7 m2/g)comodelvolumendeporo(0,27cm 3/g). El cambiomásnotableseapreciaeneltipodeestructuraporosaque se crea. El xerogelpasadesereminentementemesoporoso,atotalmentemicroporoso,conun tamañomediodeporoconsiderablementemenor,loqueaprioriloconvertiríaen unsoportedepeoresprestacionesparalaaplicaciónconsideradaenesteproyecto.  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  56  Cabedestacar,sinembargo,queeltamañodeporosigueestandoenelrangodelos mesoporos, por lo que dicho soporte aún sería capaz de acomodarelPt disponiendo de porosidad libre suficiente para favorecer el contacto entre los reactivosylafaseactiva.  4.1.2VariaciónenlarelaciónR/F:  La variación de la relación resorcinol/formaldehído, en concreto la disminución de la misma (muestra A_1) respecto a la relación estequiométrica, (0.50) se traduce en un ligero aumento del área superficial específica total, en beneficiodelamesoporosidad.Seproduceporotrolado,unapequeñadisminución del volumen total de poro, así como de su tamaño medio. Por otro lado, un aumentodeestarelación(MuestraA_3)conducealaobtencióndeunaestructura microporosa,conunbajovalordeáreayvolumendeporoencomparaciónconel restodelosmaterialessintetizados.Eltamañomediodeporonopudomedirseen estamuestra,yaquenoseconseguíadesorberporcompletoelgas.Puestoqueel tamañomediodeporosecalculaapartirdelvalordeBJHenlaetapadedesorción, dichocálculonofueposible.Estopuededebersealapresenciadeporosdeltipo “cuello de botella”, que se caracterizan por poseer unestrechamientofinalque impideladesorcióndelnitrógenocontenidoensuinterior.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  57  Tabla4:Propiedadestexturalesdelossoportespreparados,obtenidasmediante fisisorcióndeN2.  MuestraA_2 A_1 A_3 Áreasuperficial(m2/g)533,6 554,4 176,2 Áreamicroporosa(m2/g)216,7 197,0 171,0 Áreamesoporosa(m2/g)316,9 357,4 5,2 %áreacorresponientea mesoporos59,4 64,5 2,9 VolumenTotalporo (cm3/g)1,07 0,93 0,103 Volumenmicroporoso (cm3/g)0,11 0,10 0,099 Volumenmesoporoso (cm3/g)0,96 0,83 0,004 %Volumen correspondientea mesoporos 89,4 89,3 4,1 Diámetromediodeporo (nm)11,7 8,9 -   4.1.3Variaciónsegúndisolvente:  Lamodificacióndeldisolventeesotrofactorqueafectaalaspropiedades finalesdelgel.[17].Lasustitucióndeaguaporacetona,setraduceenunanotable disminución del área total, así como del volumen de poro, sin embargo en el tamaño medio de poro la disminución que se observa es mínima. Esto puede deberseaunaparcialevaporacióndeldisolventeduranteelprocesodecurado,lo quepodríaprovocarunligerocolapsodelaestructuradelgel,dandolugaraun materialmenosporoso.  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  58  Tabla5:Resultadossegúnvariacióndisolvente MuestraA_2 A_4_800 A_4_900 Áreasuperficial(m2/g)533,6425,1447,2 Áreamicroporosa(m2/g)216,7 333,1 358,6 Áreamesoporosa(m2/g)316,9 92,0 88,6 %áreacorresponientea mesoporos59,421,619,8 VolumenTotalporo (cm3/g)1,07 0,39 0,40 Volumenmicroporoso (cm3/g)0,11 0,19 0,20 Volumenmesoporoso (cm3/g)0,96 0,20 0,19 %Volumen correspondientea mesoporos 89,451,848,6 Diámetromediodeporo (nm)11,710,710,6   4.1.4Variaciónsegúncatalizador:  Enlapreparación de algunas muestrassesustituyóel catalizador básico más comúnmente empleado, Na2CO3, por un catalizador ácido, H2SO4(Muestra A_5).Lautilizacióndeuncatalizadorácidoprodujounagelificaciónmuyrápida (segundos)queresultóenunxerogeldeunaconsistenciamásdura,conestructura predominantementemicroporosa.  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  59  Tabla6:Resultadossegúnvariacióncatalizador MuestraA_2 A_5 Áreasuperficial(m2/g)533,6390,3 Áreamicroporosa(m2/g)216,7 389,3 Áreamesoporosa(m2/g)316,9 1,0 %áreacorresponientea mesoporos59,40.2 VolumenTotalporo (cm3/g)1,07 0,23 Volumenmicroporoso (cm3/g)0,11 0,23 Volumenmesoporoso (cm3/g)0,96 0,00 %Volumen correspondientea mesoporos 89,41,3 Diámetromediodeporo (nm)11,7 2,7   4.1.5.Variaciónsegúnprecursor:  Lasustitucióndelresorcinolcomoprecursorporpirogalolresultó en la síntesisdeunxerogeldeestructurapredominantementemicroporosa.Estetipode estructura,comosehacomentadoanteriormentemejoralaconductividadeléctrica delmaterial[18].ComoseobservaenlaTabla 7, seaprecia paralosxerogeles E_800 y E_900 una disminución drástica de las propiedades texturales (área superficial,volumenytamañodeporo).Dichadisminuciónaúnesmássignificativa cuandoelxerogelsecarbonizaa900⁰C.  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  60  Tabla7:Resultadossegúnvariaciónprecursor MuestraA_2 E_800 E_900 Áreasuperficial(m2/g)533,6234,5112,4 Áreamicroporosa(m2/g)216,7 231,3 108,2 Áreamesoporosa(m2/g)316,9 3,2 4,2 %áreacorresponientea mesoporos59,41,43,7 VolumenTotalporo (cm3/g)1,07 0,14 0,09 Volumenmicroporoso (cm3/g)0,11 0,13 0,06 Volumenmesoporoso (cm3/g)0,96 0,01 0,03 %Volumen correspondientea mesoporos 89,45,228,4 Diámetromediodeporo (nm)11,72,41,9   B)Variacióndelaspropiedadestexturalesenfuncióndelostratamientosde funcionalización.  Laspropiedadestexturalesdelosmaterialescarbonosospreparados,antes ydespuésdeserfuncionalizados,seanalizaronigualmentemediantefisisorción de N2.EnlasTablas 8, 9 y 10 se observan los valores de área superficial y volumendeporodelostresxerogelesobjetodeestudio.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  61  Lostratamientosdefuncionalizaciónconácidonítrico(Nc),resultanenuna disminución tanto del área superficial como del volumen total de poro de los materiales,sibiendichadisminuciónafectaalapartemicroporosadelmaterial,lo quesuponequelosmicroporosseensanchanhastaalcanzarelrango de los mesoporos,deahíelaumentodelporcentajedelacontribucióndelosmismos. LostratamientosconO2(O2)yconHNO37MenunextractorSoxhlet(Sx),resultan enunaumentodeláreasuperficialespecíficaydelvolumendeporo,aexpensas departedelamicroporosidadestrechadelxerogelsinfuncionalizar.Enelcasode lamuestraA_4_Sx,nosepudieronllevaracabolosanálisisdebidoaproblemas técnicosdelinstrumentoMicromeritics.  Cualquieradelostrestratamientosdefuncionalizaciónsuponeunamejora sustancialdelaspropiedadestexturalesdelossoportes.Sibien, independientemente de la modificación de dichas propiedades, el criterio de selección más importante para las muestras funcionalizadas es la cantidad y naturalezadelosgrupossuperficialesoxigenadoscreados.     Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  68  Dichamuestrasesometióposteriormenteaunprocedimientodepirólisisa mayor temperatura, 900⁰C, lo que dio lugar a un espectacular aumento de la conductividad, como puede verse en la Figura 28. Para determinar si dicho aumento se debía a la mayor temperatura de carbonización, la muestra B se carbonizótambiéna900⁰C.Enestecaso,apenasseapreciaunaumento de la conductividad(0.47S.cm‐1),loquepuededeberseaquedichoaumentodepende másdelaestructuraintrínsecadelmaterialquedelgradodegrafitizaciónquese alcanzaconunamayortemperaturadecarbonización.Amododereferencia,se incluye en la Figura 28elvalordeconductividadparaelsoportede electrocatalizadorescomercialmáscomúnmenteempleado,Vulcan‐XC‐72R.   Figura28:MedidadelaconductividadparalasmuestrasE_800ºC,E_900ºCyVulcanXC 72R.  Cabe destacar, que el soporte comercial posee mayores valores de conductividad(dadasuestructuragrafítica)quelosxerogelessintetizadosenel 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 Conductividad(S.cm‐1) Presión(MPa) E_800 E_900 Vulcan B_800 B_900  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  69  presenteproyecto,conlaexcepcióndelxerogelE‐900quepresentavaloreshasta3 vecesmásaltosqueelVulcanaunapresiónentre6y8MPa.   Elestudiodelaconductividadeléctricasellevóacaboasuvez,paralos soportesfuncionalizados,conelfindedeterminarelefectodelafuncionalización enlaspropiedadesfísico‐químicasdelossoportes.ComosemuestraenlasFiguras 29 y 30, en general los tratamientos de funcionalización disminuyen la conductividadeléctricadelosmateriales.LafuncionalizaciónconO2es,entodos los casos, la que más disminuye la conductividad del soporte, seguida de la oxidaciónconácidonítrico.EnelcasodelafuncionalizaciónconHNO37Menun equipoSoxhlet,seobservaunaumentodelaconductividaddelossoportesByE; mientrasqueenelcasodelsoporteA_2(Figura31),dichotipodefuncionalización hacedisminuirsuconductividad.  Figura29:MedidadelaconductividaddelamuestraEantesydespuésdeser funcionalizada.  0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 Conductividad (S.cm-1) Presión (MPa) E_800 E_800_Nc E_800_O2 E_800_Sx  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  70   Figura30:MedidadelaconductividaddelamuestraBantesydespuésdeser funcionalizada.   0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 Conductividad(S.cm‐1) Presión(MPa) B_800 B_800_Nc B_800_O2 B_800_Sx  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  71   Figura31:MedidadelaconductividaddelamuestraA_2antesydespuésdeser funcionalizada.  4.4OXIDACIÓNATEMPERATURAPROGRAMADA(TPO)  Los análisis de oxidación a temperatura programada resultan de gran utilidad a la hora de determinar la estabilidad térmica de los materiales carbonososylatemperaturaalacualcomienzanadestruirseenpresenciadeuna atmósferaoxidante.  EnlaFigura32secomparanalgunosdelosxerogelessintetizadosconel soporte comercial Vulcan. Se puede observar como los xerogeles preparados presentan en general una menor  resistencia a la oxidación que elVulcan.Sin embargo,esnecesariotenerencuentaquelaspilasdemetanoldirectooperana temperaturas relativamente bajas (20‐110 ºC) por lo que la resistencia que presentan, en principio sería suficiente para su utilización como soporte de catalizadoresenunapiladeestetipo.  0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Conductividad (S.cm-1) Presión A_2 A_2_Nc_2h A_2_O2_5h A_2_Sx  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  72   Figura32:Resistenciaalaoxidaciónenairedealgunosxerogelesdecarbono.  Enlasgráficassiguientessemuestranlosresultadosdelosanálisis TPO agrupadossegúnlascondicionesdeproduccióndelosxerogeles,tantoantescomo después de la funcionalización, loquepermitecompararentresí las diferentes condiciones de funcionalización y determinar cuál es la que presenta un mejor comportamiento.  0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% 120,0% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 perdida de masa vs. Mi (%) Temperatura (ºC) TPOs_A,B,E y Vulcan A B E Vulcan  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  73    Figura33:Resistenciaalaoxidaciónenairedelosxerogelesfuncionalizadosapartirde lamuestraA_2  EnlaFigura33semuestranlosresultadosdelanálisisTPOrealizadosal xerogelA_2sinfuncionalizaryasustresformasfuncionalizadas.Comosepuede apreciar,losxerogelessometidosaoxidaciónpresentanunaestabilidadtérmica similaralamuestrasinfuncionalizar,puestoquelatemperaturaalaquecomienza suoxidaciónesprácticamentelamisma,esdecir,entornoa450ºC,elxerogelse oxidaporcompleto.  CabemencionarquelasmuestrasfuncionalizadasconHNO 37Menun extractor Soxhlet, presentan una curva en dos tramos. En la primerapartedel proceso de oxidación (0ºC a 50ºC), sufre una fuerte pérdida de peso, estabilizándose a continuación, hasta alcanzar los 450ºC, donde al igual que el restodelasfuncionalizacionesy de la muestra sin tratar, es degradada por completo.Estopodríadeberseaqueenlafuncionalizaciónmedianteestemétodo, 0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% 120,0% 0 200 400 600 800 1000 perdidadepesovs.Mi(%) Temperatura(ºC) TPO_A_2 A A_Nc_120min A_O2_5h A_Sx_3h  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  74  seformangruposoxigenadosdemenorestabilidadtérmica,quesedegradanmás fácilmenteamenorestemperaturas.  En la Figura 34 serepresentalamuestraBantesydespuésdelos tratamientosdefuncionalización.Elresultadoobtenidoessimilaraldelamuestra A_2,aunquepresentaunamayorresistencia,yaqueladegradacióncompletase realizaentornoalos500ºC.  Conelxerogelfuncionalizado en el extractor Soxhlet, vuelve a ocurrir lo mismo que en el caso anterior, obteniéndose una pérdida de pesoinicial,que podríadebersealadegradacióndelosgruposoxigenadosdemenorestabilidad térmica.   Figura34:Resistenciaalaoxidaciónenairedelosxerogelesfuncionalizadosapartirdela muestraB  0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% 120,0% 0 200 400 600 800 1000 perdidademasavs.Mi(%) Temperatura(ºC) TPO_B B B_Nc_120min B_O2_5h B_Sx  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  75  EnlaFigura35serepresentalamuestraEantesydespuésdelostratamientos defuncionalización,asícomolamuestraE_900funcionalizadaconO2.Seobservaque todas las muestras tienen una alta resistencia, ya que la degradación comienza en tornoalos500ºC.SicomparamoselsoporteEcarbonizadoa800ºCconelsoporteE carbonizadoa900ºC,seobservacomolamuestracarbonizadaa900ºCesligeramente másresistentealaoxidaciónenairequelamuestracarbonizadaa800ºC.Estopuede deberseaquelamuestracarbonizadaa900ºCtengaunmayorordenestructuralypor tantoresistemejorlaoxidación.   Figura35:Resistenciaalaoxidaciónenairedelosxerogelesfuncionalizadosapartirdela muestraE      0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% 120,0% 0 200 400 600 800 1000 Perdidademasavs.Mi(%) Temperatura(C) TPO_E E_800 E_800_Nc E_800_O2 E_900_O2  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  76  4.5MICROSCOPÍAELECTRÓNICADEBARRIDO(SEM)  Lamicroscopíaelectrónicadebarrido,nospermitedeterminarlamorfología delamuestra.   MuestraA_1 Muestra A_2   MuestraA_3 MuestraA_4  MuestraA_5 MuestraB  Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  77   MuestraC MuestraE Figura36:FotografíasSEMdelasdiferentesmuestrassintetizadas. Enlosxerogelessintetizadosconunarelaciónprecursor/catalizador=50 (muestrastipoA),sepuedeobservartantocomoen lamuestraA_4(utilizando acetona como disolvente) como en la muestra A_5 (utilizando H2SO4 como catalizador)presentanlaspartículasesféricastípicasdexerogelescuyaestructura es principalmente microporosa. Dicha morfología también se aprecia, en la muestra C, igualmente con una estructura predominantemente microporosa, si bien,puedeapreciarsequeeltamañodelasesferasesmenor,debidoalusodeuna mayorcantidaddecatalizador[9].  LasmuestrasA_2yB,cuyatexturaporosaesfundamentalmente mesoporosa,presentaunamorfologíagranuladaqueresultamásvisibleenelcaso delxerogelB.  EnlamuestraEseapreciancavidadesdediversostamaños,conuncierto número de partículas de forma esférica, estructura típica como ya se ha mencionadodetexturasmicroporosas.   Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC  84  Sellevaráacabounestudioacercadelainfluenciadelascaracterísticasdel soporte(texturaporosa,químicasuperficialyconductividadeléctrica) en el comportamientoelectrocatalíticodeloscatalizadoressintetizados.  Ademásseestudiarán aquellos métodosde síntesis de catalizadoresmás adecuadosparaladeposicióndelaspartículasmetálicassobreestetipoconcreto desoportes.                 VI.BIBLIOGRAFÍA         Funcionalización dexerogelesdecarbonocomo soportedeelectrocatalizadoresparaDMFC   87  6. 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