INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
Alumno: OSEGUERA AMEZCUA EDWIN RAMÓN
Numeo !e "ole#$: %&&'(%)%&*
C$e$: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL
Seme+#e ,ue $-e!.#$: /0 SEMESTRE
Gu1o: *IV%
Coeo ele-#2n.-o: o-$nlo3e4'567o#m$.l8-o o-$nlo3e4'567o#m$.l8-om m
Em1e+$ !on!e +e e$l.9o l$ 1-#.-$ 1o;e+.on$l: L$"o$#o.o !e ele-#o,u
Nom"e !el 1o;e+o: L.l.$ Me-e!e+ P$l$-.o+ L$9-$no
>e-7$ !e en#e?$: %5 !e No3.em"e !el %&)%
INDICE
INTRODUCCION………………………………………………………………..2
GENERALIDADES……………………………………………….………….….2
CROQUIS DE LA EMPRESA…….…………………………………………….4
ACTIVIDADES DE LA EMPRESA…………………………………………….5
ACTIVIDADES REALIZADAS POR EL ALUMNO………………………….5
OBSERVACIONES TECNICAS………………………………………………10
RECOMENDACIONES TECNICAS.………………………………………….10
BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………..11
INTRODUCCIÓN. En la estancia en el Laboratorio de electroquímica y corrosión se tuvo como objetivo la determinación de la actividad catalítica en la reacción de reducción de O2 de una celda de combustible con compuestos de Pt-C, Pd3e y Pt-C!"O2 Obteni#ndose resultados $avorables%
CELDA DE COMBUSTIBLE La celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la ener&ía química de la reacción entre el 'idró&eno ()2* y el o+í&eno (O2* en electricidad y calor% El subproducto de dic'a reacción es a&ua ()2O*%
na celda de combustible est compuesta por dos electrodos, un nodo y un ctodo, separados por un electrolito que $acilita la trans$erencia iónica% Entre los electrodos se &enera una corriente el#ctrica que, a di$erencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se a&ota con el tiempo de $uncionamiento, sino que se prolon&a mientras contin.e el suministro de los reactivos%
PRINCIPIO DE OPERACION El 'idró&eno ()2* se alimenta por el electrodo ne&ativo (nodo* y se disocia, al contacto con el catali/ador, en iones positivos )0 y electrones% La membrana de intercambio protónico solo permite el paso de los iones, los cuales se trasladan al ctodo por lo tanto los electrones salen por el nodo y recorren el circuito produciendo corriente el#ctrica que alimenta el servicio requerido para despu#s lle&ar de i&ual $orma al ctodo% El o+í&eno (O2* procedente del aire penetra por el electrodo opuesto (ctodo* y se disocia i&ualmente en presencia del catali/ador en iones O2-% En el ctodo los iones 'idró&eno, el o+í&eno y los electrones se vuelven a combinar para $ormar mol#culas de a&ua% Las reacciones químicas que tienen lu&ar en una celda de combustible son las si&uientes1
La
reacción de reducción de o+í&eno (O* es una reacción multielectrónica compleja% Esta reacción se lleva a cabo en las pilas de combustible, sensores y en baterías metal-aire% La reacción &lobal en una celda de combustible de membrana de intercambio protónico est controlada por la reacción catódica, por ser #sta cinco órdenes de ma&nitud ms lenta que la reacción anódica% Los electrodos con materiales nanom#tricos 'an mostrado un alto desempeo en la reacción de reducción del o+í&eno (O* y esta alta actividad depende del tamao de las partículas, de la naturale/a del soporte y del m#todo de preparación% En la actualidad la preparación de nanopartículas de metales de transición, con dimetros de al&unos nanómetros y con &randes reas super$iciales, es un reto para muc'os centros de investi&ación alrededor del mundo, por lo que se 'an empleado di$erentes rutas de síntesis para la obtención de nuevos materiales electrocatalíticos, como lo es la molienda mecnica% Con esta t#cnica es posible obtener aleaciones, pueden ser $ases meta-estables, incluyendo soluciones sólidas, $ases amor$as, estructuras nanocristalinas y compósitos, adems de ser utili/ada para la $abricación de materiales avan/ados que son di$íciles de obtener por t#cnicas de $usión convencionales% En este trabajo se presenta la síntesis y evaluación de la actividad catalítica de compuestos de Pt-C, Pd3e y Pt-C!"O2 en la O en medio cido, preparados con di$erentes tiempos de molienda% Para el anlisis de dic'as muestras se utili/an t#cnicas electroquímicas como lo son la voltametria cíclica y la voltametria lineal, ya que Las t#cnicas electroquímicas e+perimentales para el estudio de la cin#tica electródica, como la mayoría de los m#todos $ísico-químicos, consisten en medir la respuesta a una seal impuesta% La seal perturba el estado de equilibrio del sistema y el comportamiento resultante constituye la respuesta, cuya detección permite obtener la in$ormación acerca de las propiedades del sistema% La perturbación del equilibrio de un sistema electroquímico se consi&ue mediante la variación del potencial del electrodo, paso de corriente, variación de concentración de especie electroactiva, cambios de presión o temperatura, o por medio de otros procedimientos de e+citación% En &eneral se utili/a una variación de potencial o la aplicación de una corriente, el sistema responde a estas perturbaciones con cambios en su comportamiento, que pueden se&uirse por las variaciones del potencial del electrodo, de la corriente o de la car&a% En &eneral, las t#cnicas electroquímicas e+perimentales proporcionan in$ormación acerca de la relación entre la corriente y el potencial, tiempo
transcurrido desde el comien/o del proceso y en al&unas ocasiones, la car&a trans$erida% La selección de la t#cnica a emplear para un estudio determinado requiere la elección de la variable el#ctrica a controlar y considerar la posibilidad de obtención de la variable a medir%
GENERALIDADES. La dirección del laboratorio es E4565E-5P7, Laboratorio de electroquímica y corrosión, P8L9 Edi$icio :, CP ;<<3=, 9#+ico >% las actividades productivas reali/adas en este laboratorio es la de impartir clases alumnos de la carreara de in&eniería química industrial y reali/ar estudios cientí$icos a si como caracteri/aciones e+perimentaciones electroquímicas para dar soluciones alternas a los problemas que se presentan en la industria%
ORGANIGRAMA DE ESIQIE
CROQUIS DE UBICACIÓN: nidad Pro$esional ?8dol$o Lópe/ 9ateos?, Edi$icio @: Colonia Lindavista, Códi&o Postal ;<<3= >ele&ación Austavo 8 %9adero Ciudad de 9#+ico, >istrito ederal, 9#+ico
ACTIVIDADES DEL LABORATORIO DE ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN Bsicamente el laboratorio de electroquímica y corrosión cuenta con un proceso para reali/ar e+perimentaciones y estudios que puedan resolver problemas en la industria como la contaminación &enerada por el uso de $uentes ener&#ticas derivadas por el uso de combustibles $ósiles usando como alternativas el uso de pilas de combustible tipo PE9 puesto que en laboratorio se anali/an y caracteri/an catali/adores que sirven para la construcción y $uncionamiento de la pila de combustible tipo PE9% 8dems a nivel escolar en s#ptimo semestre los alumnos de la E4565E tienen la oportunidad de adquirir y re$or/ar conocimientos asi&nados en la teoría% Las prcticas que se imparten en el laboratorio son1 •
Electrolisis
•
Leyes de araday
•
itulación conductimetrica
•
Potencia normal
•
Pilas de combustible
•
8nlisis potenciom#trico
•
Corrosión
•
Celda )ull
Estas prcticas comprenden desde la parte ms $undamental de la electroquímica como lo es DElectrolisis, DPotencia normal y DLeyes de araday, 'asta practicas con aplicaciones mas de$inidas y de mayor au&e en la industria química como DCorrosión y DPilas de combustible%
ACTIVIDADES REALIZADAS POR EL ALUMNO. Las actividades reali/adas en el laboratorio 'an sido destinadas a la caracteri/ación electroquímica de catali/adores para celda de combutible, en dic'os catali/adores es de &ran importancia su buen desempeo en la O (reacción de reducción de o+i&eno* ya que esta reacción es la mas lenta en la
celda de combustible (como ya se 'a mencionado*% El catali/ador de mejor rendimiento para dic'a reacción es el Pt sin embar&o este metal es de costo elevado y no se encuentra en &ran cantidad en el planeta, por lo que actualmente se reali/an investi&aciones para sinteti/ar compuestos bimetlicos o trimetalicos con materiales mas económicos (Pd, u, ', ", Cu, e, etc* y de mayor abundancia en el planeta, con lo cual se conse&uiría la proyección de las celdas de combustible como una alternativa de obtención de ener&ía y sobretodo por su propiedad intrínseca de emitir como subproducto a&ua con lo cual se reduciría de manera drstica la contaminación ambiental producida por los procesos de combustión cuyos subproductos son &ases de e$ecto invernadero como1 CO2, 7O2, 7O3 4O2, 4O3, etc%
PREPARACIÓN DE ELECTRODOS
.
Para poder obtener datos precisos en cada e+perimentación es necesario preparar de manera correcta un electrodo de trabajo, esto se lo&ra elaborando una tinta catalítica 'omo&#nea, y aplicando la tinta en el centro del electrodo cubriendo de manera uni$orme el rea &eom#trica del carbón vítreo% La tinta catalítica utili/ada en la e+perimentación se preparo mediante el si&uiente procedimiento1 F% 4e peso con la balan/a analítica Fm& del catali/ador en un vial, se le a&re&a G; HL de alco'ol etílico &rado cromato&ra$ico G HL de 7a$ion% 2% Esta me/cla se 'omo&eni/o en un ultrasonido durante un tiempo de F: minutos para poder obtener la tinta catalítica% 4e utili/o un ultrasonido modelo B874O7 F:F;% 3% 4e tomo una alícuota de = HL de la tinta catalítica y se coloca con cuidado en el centro del electrodo de trabajo cuidando de cubrir toda la super$icie &eom#trica de carbón vítreo%
Figura.. U!"ra#$%i&$ '$&(!$ BRANSON )*)+. 4e dejo secar la tinta depositada en el electrodo de trabajo a temperatura ambiente por un tiempo apro+imado de F: minutos% Ia que la tinta se seco se acopla el electrodo con la tinta seca en el equipo E> (electrodo de disco rotatorio* para empe/ar el estudio electroquímico%
SISTEMAS ELECTRO QUÍMICOS Los estudios electroquímicos se reali/aron utili/ando una celda de vidrio Pyre+ que consta de tres electrodos $i&ura 2%3, un electrodo de trabajo de carbón vítreo, un electrodo de re$erencia de )&!)& 24OJ, ;%:9 )24OJ (EK;%G=; !E7)* y como contraelectrodo una malla de platino con super$icie &eom#trica superior a F; cm2% Los potenciales se reportan respecto al electrodo normal de 'idró&eno, E7) (Electrodo normal de 'idro&eno*%
Figura ., -(!&a (!(-"r$u/'i-a El electrodo de trabajo tiene un rea &eom#trica de ;%FMGcm2 $i&ura 2%J% 4e preparó depositando una película del&ada de = HL de tinta catalítica, preparada con Fm& de catali/ador me/clado con G HL de 7a$ion N líquido (: en alco'ol etílico* como soporte y G; HL de alco'ol etílico como disolvente% Para obtener una suspensión 'omo&#nea se mantuvo la tinta preparada en ultrasonido por 2; minutos%
Figura .0 (!(-"r$&$ &( "ra1a2$ La caracteri/ación electroquímica se llevó a cabo con un electrodo de disco rotatorio (E>* $i&ura2%:, con un rotor Pine con control para di$erentes velocidades de rotación%
Figura .* (!(-"r$&$ &i#-$ r$"a"$ri$ El equipo se conecta a un Potenciostato!Aalvanostato 2G38 (EAQA P8*, cuya respuesta se anali/ó en una PC con un so$tare EAQA Princenton 8plied esearc', Electroc'emestry Poer4uite $i&ura2%G% Como electrolito se utili/ó una solución ;%:9 )24OJ (9ercR, p%a%*, preparada con a&ua destilada% 8ntes de comen/ar los e+perimentos electroquímicos, la solución electrolítica $ue deso+i&enada con ar&ón para la activación del electrodo de trabajo y posteriormente, saturada con o+í&eno durante 2; minutos para las pruebas en E>%
Figura .3 PC 4 P$"(%-i$#"a"$5Ga!6a%$#"a"$ Previo a los estudios con de voltametria lineal se llevó a cabo una etapa de activación electroquímica de la super$icie del electrodo de trabajo a trav#s de sucesivas perturbaciones con voltamperometrias cíclicas% Este proceso de reducción-o+idación es para eliminar impure/as, o+í&eno absorbido y capas de ó+idos, con el $in de aumentar las propiedades electrocatalíticas de los materiales% 4e llevaron a cabo barridos cíclicos, en una ventana de potencial de ; a F%< !E7)% 4e aplicaron J; ciclos a una velocidad de F;; m se&-F% Los e+perimentos de disco rotatorio se desarrollaron a velocidades de rotación de F;;, 2;;, J;;, M;;, FG;; y 2:;; rpm, a una velocidad de barrido de : m se&-F, utili/ando la t#cnica de voltamperometría lineal%
VOLTAMETRÍA CÍCLICA 7VC8 La t#cnica de voltamperometría cíclica se llevo a cabo deso+i&enando el electrolito durante F: minutos con ar&ón, se aplicaron perturbaciones cíclicas para activar electroquímicamente el electrodo de trabajo para eliminar impure/as y o+í&eno adsorbido sobre su super$icie% El tiempo de pur&a del equipo $ue de F: se&undos y las velocidades de barrido $ueron de F;; ms-Fy :; ms-F% 4e dejó al sistema alcan/ar un potencial a circuito abierto estable y se reali/aron F; y 2 barridos cíclicos respectiva mente en un ran&o de potencial de ; a F%< !E7)%
ELECTRODO DE DISCO ROTATORIO Los e+perimentos se llevaron a cabo en una solución ;%:9 de )24OJ como electrolito, se deso+i&enó con ar&ón por F; minutos a :; m s-F en un ran&o de ;%; 'asta F%2 a 2:SC% odas las muestras $ueron preparadas a las mismas condiciones% na ve/ terminado el proceso de oltamperometría cíclica y almacenados los datos obtenidos, se cambia el &as por o+í&eno, para controlar el $lujo se lleva a cabo una pur&a del mismo y se cambian los parmetros del potenciostato para emplear la t#cnica de oltametria lineal para la cual se si&ue este procedimiento1 F* 4e burbujea el o+í&eno durante F; min para saturar la solución electrolítica, 'asta que el valor del potencial a circuito abierto alcance un valor estable% 2* tili/ando el so$tare se da la nueva t#cnica de voltamperometría lineal, manejndose una velocidad de barrido de : m s-F, en un intervalo de potencial que va desde el potencial a circuito abierto alcan/ado por el sistema 'asta ;%2 (E7)*, i&ura 2%G, los potenciales de esta $i&ura estn re$eridos al electrodo de sul$atos% 3* El sistema se corre a di$erentes velocidades de rotación% 4e trabajo con G velocidadesT F;;, 2;;,J;;, M;;, FG;; y 2:;; rpm% 5niciando del valor mayor al menor%
J* En cada e+perimento se da un burbujeo de o+í&eno 'asta alcan/ar un potencial a circuito abierto constante para las di$erentes velocidades y es retirado antes de que inicie el e+perimento, se mantiene el $lujo de o+í&eno sobre la super$icie de la solución para &aranti/ar la saturación de o+í&eno dentro del sistema, sumer&i#ndolo en el electrolito nuevamente para el si&uiente e+perimento a otra velocidad de rotación%
Figura .9 T-%i-a V$!"a';(r$'("ria !i%(a!. :* na ve/ que se termino el e+perimento, el potenciostato&alvanostato se apa&a, para desmontar el equipo y se limpia el rea de trabajo >e los datos y &ra$icas obtenidas a trav#s del so$tare 7O8 se observa que el Pt-EEU e+'ibe los mejores resultados en cuanto a capacidad y rendimiento en la reacción de reducción de o+i&eno debido a que es un catali/ador comercial y que ya esta comprobada su e$iciencia en celdas de combustible% En cuanto a la 9JG se obtuvieron buenos resultados, ya que arrojo un potencial a circuito abierto de ;%2= el cual es muy cercano al que presenta el Pt-EEU, adems anali/ando la voltametria lineal se observa que presenta un buen comportamiento en la parte cinetica y di$usional, lo cual indica que el catali/ador, (que esta compuesto por Pt!C* tiene &ran capacidad para adsorber mol#culas de O2, para que consecutivamente se redu/can a ) 2O% Para anali/ar los resultados de las t#cnicas electroquímicas aplicadas se reali/aron clculos con la ayuda del so$tare UaleidaArap'% 4e obtuvieron las pendientes de UoutecRy-Levic' &ra$icando el inverso del $lu+ di$usional (F!jL* vs la velocidad de rotación elevada a la -F!2 ( -F!2* y aplicando una re&resión para lineali/ar las curvas, dic'o valor de pendiente se pretende que este dentro del orden de F; y FJ de pendiente% 4ubsi&uientemente se calcula el promedio de la pendiente de UoutecRy-Levic' para poder calcular el $lu+ de corriente en la
parte di$usional (jL* para cada velocidad de rotación del E>% Para el calculo del $lu+ de corriente en la parte cinetica se calcula con la si&uiente ecuación1
jk =
jT ∗ jL jL − jT
Con dic'a ecuación se obtiene jU a cada velocidad de rotación, por lo cual se tiene que calcular un promedio para obtener un $lu+ total (jUtotal*% Con los datos de voltaje y jUtotal se &ra$ican y se obtiene la &ra$ica de a$el parcial, la cual se busca que ten&a pendiente dentro del ran&o de -2M a -3G apro+imadamente% >espues de obtenida la a$el parcial se prosi&ue a obtener la pendiente de a$el con la si&uiente ecuación1
b=
bTafel parcial 2.303
Posteriormente se calcula el coe$iciente de trans$erencia V1
α =
bTafel parcial∗ R∗T F
I por ultimo la corriente de intercambio io1
(−bTafel parcial∗1.2263)
i o=Tafel parcial ∗e
OBSERVACIONES TECNICAS >urante las practicas reali/adas en el laboratorio de electroquímica se pudieron reali/ar las si&uientes observaciones1
La O se reali/a de manera mas e$iciente cuando la celda de combustible se opera a temperaturas cercanas a los =;SC, sin embar&o una ve/ superada dic'a temperatura baja el desempeo debido a la de&radación de la membrana 7a$ion%
El aumento de la presión de operación 'asta :R&!cm 2 en una celda de combustible mejora el desempeo, sin embar&o no es recomendable superar dic'a presión%
La membrana 7a$ion FF2 resulta la membrana de mayor e$iciencia respecto FF: y FF<%
Los catali/adores a base de e son muy inestables en comparación con compuestos de Pt%
Es de &ran importancia la interpretación de las &ra$icas obtenidas para poder saber cuando un catali/ador no tendr buen desempeo en la O, esto con las curvaturas en el barrido catódico%
En compuestos como el 8u y 8& se $acilita la producción de peró+idos lo cual es ne&ativo para la celda de combustible debido a que el peró+ido daa los componentes de la celda, con lo cual a lar&o pla/o se tendría que destituir de la misma%
RECOMENDACIONES TÉCNICAS
Es de &ran importancia el burbujeo de o+i&eno ya que de no ser por un lapso minimo de cinco minutos, la medición se puede ver a$ectada y por tanto no seria una respuesta concisa del catali/ador sino de un $actor e+terno%
Emplear las celdas de combustible en condiciones de operación cercanas a =;SC y JR&!cm2 de ser posible ya que a esas condiciones presentan su mayor e$iciencia%
tili/ar compuestos con la mínima cantidad de Pt, ya que esta comprobado que es el catali/ador por e+celencia, aunque tiene un costo mas elevado respecto otros metales%
Buscar materiales que se asemejen al Pt en cuanto rendimiento para la O o bien que produ/can un e$ecto lo mas cercano posible%
tili/ar t#cnicas de síntesis que produ/can lo menores tamaos de partícula posible (del orden de :H9* ya que de esta manera se 'omo&eni/a la tinta $cilmente%
Buscar industriali/ar las celdas de combustible incentivando empresas para su uso, por ejemplo en las plantas productoras de )Cl, en las cuales su principal subproducto es ) 2, el cual lamentablemente termina siendo emitido a la atmos$era
BIBLIOGRAFÍA.
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AO7@8LE@
)uerta
osa
de
Auadalupe
(2;;:*
esis doctoral, C57E48, 9#+ico >%% AO7@8LE@ )uerta osa de Auadalupe Et al (2;;M* >i&r=g(%$: I%"r$&u--i=% a !a (%(rg/a !i';ia niversidad 8utónoma de la Ciudad de 9#+ico primera edición 9#+ico%
