Responsable: SUILMA MARISELA FERNANDEZ VALVERDE

Objetivos:

Sintetizar y caracterizar electro-catalizadores bi-funcionales para celdas regenerativas unificadas y materiales para almacenamiento de hidrógeno

Antecedentes:

Una celda regenerativa es un dispositivo que puede alternativamente generar y almacenar energía eléctrica, siendo el hidrógeno el combustible que se propone para ser utilizado. Los sistemas RFC (Regenerative Fuel Cell) está formado por un electrolizador y una celda de combustible. Una sistema de celda regenerativa unificada, conocidos como URFC (Unified Regenerative Fuel Cell) es una celda electroquímica que trabaja como celda y electrolizador por lo que eso reduce los costos y se tiene un sistema más compacto. La investigación en materiales electrocatalizadores para este tipo de celdas es un tema de investigación actual (1,2). En el grupo se cuenta con amplia experiencia en el área, se han estudiado materiales tanto para la RRO como para la RDO. Se han realizado estudios sobre electrocatalizadores de WRuSe obtenidas en medio orgánico (3, 4) para la RRO en medio ácido) por descarboxilación de carbonilos metálicos, lo que permite obtener nanopartículas con buen desempeño para la RRO y son posibles candidatos para cátodos en celdas de combustible. Se investigó además la influencia del soporte y del grado del platino para el desempeño de la RRO en medio ácido y el estudio del Pt/Ru obtenido en medio orgánico (5).

FOTO: Desempeño electroquímico, en medio alcalino, para las reacciones de reducción y desprendimiento de oxígeno del TiCoO₃ obtenido por aleado mecánico.

La búsqueda de materiales que substituyan al platino sigue siendo una parte crucial para el desarrollo de las celdas de combustible y en el grupo se han sintetizado y caracterizado aleaciones de Pt con cobalto y/o níquel por LPCVD (low pressure chemical vapour deposition) también por aleado mecánico se han obtenido aleaciones de cobalto, níquel y/o platino y combinaciones de los dos primeros elementos y se han determinado los parámetros cinéticos para la RRO en medio alcalino sobre estos materiales y en medio ácido (6), las aleaciones de Pt con cobalto o con níquel obtenidas por aleado mecánico presentaron buen desempeño para la RRO, sin embargo, el platino que se procesó por aleado mecánico formó una aleación con el hierro, la cual presentó mayor densidad de corriente para la RRO (7).

La experiencia en las reacciones de desprendimiento de oxígeno es con óxidos obtenidos tanto en medio orgánica como, por la técnica de sol-gel o de ablación Láser (8-11) En la primera etapa y lo que va de la segunda etapa del proyecto, se han sintetizado y caracterizado el CoTiO3 tanto por medio de aleado mecánico (12) como por sol-gel (13) y las aleaciones de Pt-Ti (14) y Pt-Ir (15) también por esta última técnica, aunque en diferentes condiciones. Todos los compuestos antes mencionados, presentan respuesta tanto para la RDO como para la RRO. También se ha modificado óxido de titanio con platino por la técnica de microondas y se ha probado para la RRO (16).

En las reacciones, tanto de desprendimiento como de reducción de oxígeno, se ha observado la degradación del carbón, por lo que se estudiaran materiales de tungsteno y de titanio que sirvan para estabilizar los electrodos.

En el almacenamiento de hidrógeno, las aleaciones base magnesio son prometedoras por su alta capacidad de almacenamiento (17), baja densidad y bajo costo. Un gran número de investigaciones están haciendo modificaciones estructurales, adición de otros elementos de transición en los intermetálicos Mg2Ni, Mg17Al12, como ejemplo tenemos el Fe0.92TiMn0.08, lo que mejora la cinética de sorción desorción de hidrógeno. Ha sido reportado que la adición de compuestos intermetálicos tales como TiMn1.5, FeTiMn, FeTi1.2, Mg2Ni0.8Co0.2 etc., mejoran la capacidad de almacenamiento. La aleación mecánica es un método simple para la preparación de compositos base magnesio nanoestructurados. En este trabajo se pretende producir dichos compositos por molienda mecánica con el objetivo de modificar sus propiedades estructurales para mejorar la cinética de absorción de hidrógeno (18). En la primera etapa y lo que va de la segunda etapa del proyecto, se han sintetizado aleaciones de magnesio, titanio, níquel y cobre por aleado mecánico y tratamiento térmico: Mg1.95Ti0.05Ni0.95Cu0.05 (19) y Mg1.90Ti0.10Ni0.90Cu0.10 (20) De estos materiales, el que tiene mayor capacidad para el almacenamiento de hidrógeno es la segunda con un 3.6%.

En la obtención de hidrógeno por métodos biológicos, para la degradación de desechos orgánicos con alto contenido de carbohidratos, como son los desechos de frutas y verduras, sigue siendo un tema de gran actualidad (20, 21, 22) se han investigado utilizando Enterobacter cloacae y/o Clostridium Butyricum (23,24). Lo que además de producir hidrógeno permitirá establecer las bases para la disminución de estos residuos que en los tiraderos de basura producen metano, permitiendo solucionar a la vez el problema de los residuos y la generación de energía en el marco de un desarrollo sustentable, también se han realizado estudios comparativos para la generación de hidrógeno con bacterias nativas (25). En estos sistemas es necesaria la purificación del biogás para eliminar el dióxido de carbono obtenido.

Bibliografía

1. "A bifuntional nonprecious metal catalyst for oxygen reduction and water oxidation". Ylena Gorlin, Tomas F Jaramillo. J. of the Am. Chem. Soc. 132(2010)13612-13614

2. "A novel  bifuntional electrocatalyst for unitized regenerative fuel cell". Zhang, H. Zang,Y. Ma, J, Cheng, H. Zhong, S. Song, H. Ma J. of power Sources 195 (2010) 142-145

3. "Kinetic Studies of Molecular Oxygen Reduction on W0.013Ru1.27Se Thin Films Chemically Synthesized". O. Solorza-Feria, S. Ramirez-Raya, R. Rivera Noriega, E.Ordoñez-Regil, S. M. Fernández-Valverde. Thin solid films 311(1997)164-170.

4. "Synthesis and Characterization of W0.12Ru2.1Se and W0.013Ru1.27Se Electrocatalysts". S.D. Ramirez-Raya, O. Solorza-Feria, E. Ordoñez-Regil, M.Benaissa and S.M. Fernández-Valverde. Nanostructured Materials 10.(1998) 1337-1346.

5. "Reacción de reducción de oxígeno en mezclas de Pt comercial y rutenio sintetizado en medio orgánico". Montes de Oca O.E., y Fernández-Valverde S.M. Memorias del XV congreso de la Sociedad Mexicana del hidrógeno CCEC15 ISBN 968-5923-39-9 (2007).

6. "Oxygen reduction reaction on cobalt-nickel alloys prepared by mechanical alloying". M. A. García Contreras, S. M. Fernández-Valverde, J. R. Vargas-García. J. of Alloys and Compounds, Volumes 434-435, 2007, Pages 522-524.

7. "Pt, PtCo and PtNi electrocatalysts prepared by mechanical alloying for the oxygen reduction reaction in 0.5M H2SO4". MA. García-Contreras, S.M. Fernández-Valverde*, J.R. Vargas-García, M. A. Cortés Jácome. J.A. Toledo-Antonio, C. Ángeles Chavez. Int. J. Of Hydrogen Energy 33(2008)6672-6680.

8. "Synthesis of La2(MoO4)3: electrocatalytic Activity for the oxygen evolution in alkaline media". G.P. Gonzalez-Rojas, J. Bonifacio-Martínez, E. Ordoñez-Regil, S. M. Fernández Valverde. Int. J. Hydrogen Energy. 23(1998)999-1003

9. "Synthesis of La-Co Oxides: Electrocatalytic Activity for the Oxygen Evolution in Alkaline Media". G. Almazan y S. M. Fernández-Valverde, 12th World Hydrogen Energy Conference, Memorias del simposio, volumen 3. p.p. 2113 a la 2118.

10. "NiO y Ni/NiO obtenidos por sol-gel para la reacción de desprendimiento de oxígeno". Perla Morales Gil, Suilma Marisela Fernández Valverde.Memorias del IV congreso de la Soc. Mexicana del Hidrógeno, 2004

11. "TiO2 obtenido por ablación Láser y su respuesta en medio alcalino para la reacción de desprendimiento de oxígeno". Suilma M. Fernández, J. Perez Alvarez, J. Jiménez Becerril, L. Escobar-Alarcón. 17th World Hydrogen Energy Conference. 15 - 19 Junio 2008 Brisbane, Australia. Trabajo 616 de las memorias del congreso.

12. "Síntesis y caracterización de mezclas de óxidos de cobalto y titanio por aleado mecánico y su respuesta para la reducción de oxígeno". R. Basurto S, J. Bonifacio-Martínez, S.M. Fernández-Valverde. Memorias del IX Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno. (2009) pp. 325-335 (ISBN: 978-607-95325-0-5) Saltillo, Coah.

13. "Síntesis y caracterización de mezclas de óxidos de cobalto y titanio obtenidas por sol-gel y su respuesta para la reacción de reducción de oxígeno". R. Basurto-Sanchez, Juan Bonifacio Martínez, S.M Fernández-Valverde. X Congreso de la Soc. Mexicana del Hidrógeno, Toluca del 27 de septiembre al 1 de octubre de 2010.

14. "Síntesis y caracterización de Pt-Ti y su desempeño electroquímico como material bifuncional para las reacciones de reducción y desprendimiento de oxígeno en medio ácido". Blanca Irene Regueira-Rosas, Suilma M.Fernández-Valverde. X Congreso de la Soc. Mexicana del Hidrógeno que se celebrará en Toluca del 27 de septiembre al 1 de octubre de 2010.

15. "Síntesis y caracterización de Pt-Ir y su desempeño electroquímico como material bifuncional". Angel A. García-Desales, Suilma M. Fernández-Valverde. X Congreso de la Soc. Mexicana del Hidrógeno. Toluca del 27 de septiembre al 1 de octubre de 2010.

16. "Electrocatalysts of Pt-TiO2 prepared by Sol-Gel and Microwave-assisted polyol method for the oxygen reduction reaction in 0.5 M H2SO4". M.A. García Contreras, S.M. Fernández-Valverde. International Microwave Power Institute´s 44th Annual Microwave Power Symposium.

17. "Hydriding properties of the nanocomposites 85 wt. % Mg-15 wt. % Mg2Ni0.8Co0.2 obtained by ball milling". M. Khrussanova., T. Mandzhukova., E. Grigorova., M. Khristov and P. Peshev. J. Mater Sci (2007), 42, 3338-3342.

18. "The effects of dynamic structural transformations on hydrogenation properties of Mg and MgNi thin films". L. Pranevicius, D. Milcius, C. Templier. Int. J. Hydrogen Energy. 34, (2009) 5231-5137.

19. "Absorción de hidrógeno en la aleación Mg1.95Ti0.05Ni0.95Cu0.05 preparada por aleado mecánico y tratamiento térmico". Juan Bonifacio Martínez, Fernando Ureña Núñez. Memorias del IX Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno. pp. 83-92 (ISBN: 978-607-95325-0-5).

20. "Síntesis y caracterización de la aleación Mg1.90Ti0.10Ni0.90Cu0.10 por la combinación de aleado mecánico y tratamiento térmico a baja temperatura”. J. Bonifacio Martínez, J. González Villa y F. Ureña Núñez. Informe Técnico GCB/005/2009. Noviembre del 2009.

21. "An argument for using biomethane generated from grass as a biofuel in Ireland". Murphy J.D. and Niamh M. Biomass and Bioenergy 33(2009)504-512

22. "Mutants of Chlamydomonas reinhardtii can produce more hydrogen than the parental Strain". Sergey N. Kosourov^, Maria L. Ghirardi^, Michael Seibert.  Int. J. of Hydrogen Energy 36(2011)2044-2048

23. "Determinación de las condiciones experimentales para la obtención de hidrógeno a partir de desechos de frutas y verduras". Evaristo Ávila-Vera , David Alcantara, Gleibys I. Molina-Ruvalcaba, Manuel Borja-Salin, María del Consuelo Hernández Berriel y Suilma M. Fernández Valverde*. Memorias del VIII Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno. Cd. de México. 24-26 de Septiembre de 2008.

24. "Estudio preliminar para la simulación y acoplamiento de perfiles termodinámicos e hidrodinámicos, en un biorreactor para la producción de hidrógeno". Evaristo Avila-Vera Manuel Borja-Salim y Suilma M. Fernández-Valverde. 67(2011)436-441

25. "Comparación de la generación de hidrógeno entre un consorcio de bacterias nativas y un consorcio específico". Evaristo Ávila-Vera , Suilma M. Fernández Valverde, David Alcántara Díaz.Aceptado en el X Congreso de la Soc. Mexicana del Hidrógeno que Toluca del 27 de septiembre al 1 de octubre de 2010

Beneficios:

Establecer en México las bases para una  infraestructura de hidrógeno, energético que se cree será el que utilicen los coches en el futuro y además sirve para generar energía. El hidrógeno al ser quemado en un sistema de combustión interna con metano disminuye la contaminación, si se utiliza en una celda de combustible produce energía agua y calor.  Entender los parámetros que influyen en la obtención de hidrógeno a partir de desechos orgánicos permite establecer las bases para eliminar problemas en los tiraderos municipales y al mismo tiempo generar hidrógeno.  El almacenamiento de hidrógeno en hidruros esta siendo estudiado a nivel internacional para su utilización en transporte y la investigación de materiales bifuncionales para celdas regenerativas, permitiría tener un sistema que al funcionar como electrocatalizador puede generar hidrógeno y oxígeno a partir de agua utilizando fuentes alternas y al no estar disponible la energía recombinar el hidrógeno y el oxígeno para producir energía y agua.

Logros Obtenidos:

A) Materiales bifuncionales para Reacción de Reducción de Oxígeno(RRO) y para la Reacción de Desprendimiento de Oxígeno (RDO) PtTi₃, Pt_0.4Ir_0.6O₂ y TiCoO₃ los dos primeros como electrocatalizadores para medio ácido y el ultimo para medio alcalino. Los estudios realizado de los materiales: en celda de combustible se encontró que el mejor material para la RRO era el PtTi₃ y en el electrolizador para la RDO fue el , Pt_0.4Ir_0.6O₂ pero este último presentaba una respuesta adecuada para la RRO por lo que se decidió utilizarlo para la celda regenerativa.

B) Almacenamiento de Hidrógeno en las aleaciones investigadas para el almacenamiento de hidrógeno, la aleación que presenta la mayor pérdida de peso, es la de Mg:NbFe (85:15), el valor es de 7.7%, lo cual están acorde con los objetivos del almacenamiento de hidrógeno,, sin embargo es muy importante determinar que todo la perdida de peso se debe a hidrógeno.. 

C) Obtención de Biogás por medio del tratamiento de la materia orgánica en medio ácido muestra la degradación de la celulosa, lo cual se hace con la finalidad de incrementar la formación del biogás, falta verificar si en solución se encuentran los carbohidratos en forma adecuada para ser utilizados por las bacterias generadoras de hidrógeno.

Aplicaciones:

Los electrocatalizadores bifuncionales para desprendimiento y reducción de oxígeno, permiten en una celda regenerativa unificada que funciona como electrolizador, la separación del hidrógeno y el oxígeno a partir del agua, con energías alternas como la solar o eólica y almacenarlos; posteriormente cuando la energía alterna ya no está disponible puede ser utilizada como celda de combustible, uniendo de nuevo el hidrógeno y el oxígeno produciendo agua, energía y algo de calor.

Vinculación:

1. Instituto de Investigaciones Eléctricas­­