ES2342811A1 - Electrocatalizers for protonic exchange membrane fuel batteries (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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Abstract

Electrocatalysts for proton exchange membrane fuel cells. Process for obtaining a mesoporous carbon material (smc) comprising: the addition of colloidal silica to a polymeric carbon precursor; thermal curing; the carbonization of the compound obtained; washing the carbonized compound with hydrofluoric acid (hf) or naoh; and the oxidation of the washed material. Furthermore, the invention relates to a catalyst for polymer electrolyte fuel cells based on the use of the new mesoporous carbonaceous support. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Electrocatalizadores para pilas de combustible de membrana de intercambio protónico.Electrocatalysts for fuel cells of proton exchange membrane.

La presente invención se refiere a un catalizador para pilas de combustible de electrolito polimérico basado en la utilización de un nuevo soporte carbonoso que permite una mayor accesibilidad de la fase activa del catalizador, mejorando así su eficiencia. Además, la presente invención también se refiere al procedimiento de obtención de dicho soporte.The present invention relates to a catalyst for polymeric electrolyte fuel cells based on the use of a new carbonaceous support that allows greater accessibility of the active phase of the catalyst, improving So its efficiency. In addition, the present invention also relates to the procedure for obtaining said support.

Estado de la técnica anteriorPrior art

El sector energético mundial se encuentra en un periodo de transición. La progresiva disminución de las reservas de combustibles fósiles y los problemas medioambientales asociados a su combustión obligan a buscar nuevas alternativas energéticas que aseguren y diversifiquen el abastecimiento energético. En este contexto, el hidrógeno surge como un nuevo vector energético, y abre una nueva era en el sector del transporte ya que permite utilizar las energías renovables, las fósiles y la nuclear para este fin, a la vez que se reducen las emisiones de CO_{2}. Por ello, las tecnologías del hidrógeno constituyen una importante alternativa a los combustibles fósiles. Entre ellas, la más prometedora es la utilización del hidrógeno mediante pilas de combustible. Su desarrollo se ve como uno de los principales medios de futuro para combatir la presión medioambiental a la que nos somete la dependencia de los combustibles fósiles, y también como una de las soluciones a su agotamiento. En este sentido, las pilas de combustible se proponen como una alternativa tanto para aplicaciones portátiles como estacionarias y, fundamentalmente, para reemplazar a los motores de combustión interna.The global energy sector is in a transition period. The progressive decrease in reserves of fossil fuels and the environmental problems associated with their combustion forces to look for new energy alternatives that secure and diversify the energy supply. In this context, hydrogen emerges as a new energy vector, and opens a new era in the transport sector as it allows to use renewable energy, fossil and nuclear for this purpose, to while reducing CO2 emissions. Therefore, the hydrogen technologies constitute an important alternative to fossil fuels. Among them, the most promising is the use of hydrogen through fuel cells. its development is seen as one of the main means of future for combat the environmental pressure to which the dependence on fossil fuels, and also as one of the Solutions to your exhaustion. In this sense, the stacks of fuel are proposed as an alternative for both applications portable as stationary and, fundamentally, to replace Internal combustion engines.

Entre los diferentes tipos de pilas de combustible, las de electrolito polimérico (PEMFC) y las de metanol directo (DMFC) son las candidatas más prometedoras para aplicaciones portátiles y estacionarias debido a su bajo peso, su baja temperatura de operación (55-95ºC), y que permiten un rápido arranque (Wee et al., J. Power Sources 165 (2007) 667). Sin embargo, a pesar de los grandes progresos realizados en el desarrollo de esta tecnología, todavía es necesario reducir su coste y resolver algunos problemas tecnológicos para hacer posible su comercialización y uso a gran escala.Among the different types of fuel cells, polymer electrolyte (PEMFC) and direct methanol (DMFC) are the most promising candidates for portable and stationary applications due to their low weight, low operating temperature (55-95ºC) , and that allow a quick start (Wee et al ., J. Power Sources 165 (2007) 667). However, despite the great progress made in the development of this technology, it is still necessary to reduce its cost and solve some technological problems to make possible its commercialization and use on a large scale.

Uno de los componentes que contribuye principalmente a elevar el coste de esta tecnología es el catalizador. Para reducir su coste es necesario reducir la cantidad de metal, y aumentar su durabilidad y estabilidad. Normalmente, se utilizan catalizadores basados en platino soportado en negros de carbono, concretamente Vulcan XC-72(R). El uso del Vulcan XC-72(R) se basa en su elevada conductividad eléctrica y su estructura principalmente mesoporosa. Sin embargo, también contiene una cantidad relativamente alta de microporos en su estructura (30%) que disminuyen la eficacia del catalizador. Las partículas metálicas que se depositan dentro de los microporos presentan una actividad electrocatalítica menor, o incluso pueden llegar a no presentar actividad, debido al difícil acceso de los reactivos y productos a través de estos microporos. Por otra parte, los microporos que son más pequeños que las partículas metálicas podrían llegar a bloquearse empeorando aún más la difusión de reactivos y productos (Liu et al., J. Power Sources 155 (2006) 95).One of the components that mainly contributes to raising the cost of this technology is the catalyst. To reduce its cost it is necessary to reduce the amount of metal, and increase its durability and stability. Normally, platinum-based catalysts supported on carbon blacks, namely Vulcan XC-72 (R), are used. The use of the Vulcan XC-72 (R) is based on its high electrical conductivity and its mainly mesoporous structure. However, it also contains a relatively high amount of micropores in its structure (30%) that decrease the effectiveness of the catalyst. The metallic particles that are deposited within the micropores have a lower electrocatalytic activity, or may even not show activity, due to the difficult access of the reagents and products through these micropores. On the other hand, micropores that are smaller than metal particles could become blocked further worsening the diffusion of reagents and products (Liu et al ., J. Power Sources 155 (2006) 95).

A la vista de lo anteriormente expuesto, se han empezado a utilizar nuevos materiales carbonosos con estructura mesoporosa como soporte de los electrocatalizadores. En los últimos años se ha demostrado la mayor actividad que presentan los catalizadores soportados en nanofibras y nanotubos de carbono (Tang et al., J. Colloid Interf. Sci. 269 (2004) 26; Paoleti et al., J. Power Sources 183 (2008) 84), xerogeles y aerogeles de carbono (Marie et al., J. Non-Cryst. Solids 350 (2004) 88; Job et al., Ener. Convers. Manage 49 (2008) 2461), y materiales de carbono mesoporosos ordenados (OMCs) (Calvillo et al., J. Power Sources 169 (2007) 59; Ding et al., Electrochim. Acta 50 (2005) 3131).In view of the above, new carbonaceous materials with mesoporous structure have begun to be used as a support for electrocatalysts. In recent years, the greatest activity of supported catalysts in nanofibers and carbon nanotubes has been demonstrated (Tang et al ., J. Colloid Interf. Sci. 269 (2004) 26; Paoleti et al ., J. Power Sources 183 (2008) 84), xerogels and carbon aerogels (Marie et al ., J. Non-Cryst. Solids 350 (2004) 88; Job et al ., Ener. Convers. Manage 49 (2008) 2461), and materials ordered mesoporous carbon (OMCs) (Calvillo et al ., J. Power Sources 169 (2007) 59; Ding et al ., Electrochim. Acta 50 (2005) 3131).

Los materiales de carbono sintetizados por el método de nanomoldeo (OMCs) han suscitado gran interés ya que presentan una estructura ordenada, que es una réplica inversa de las sílices mesoporosas utilizadas como moldes, además de un área superficial muy elevada y un gran volumen de poro. La mayor limitación que presenta el uso de sílices mesoporosas ordenadas como moldes es la poca flexibilidad que ofrecen a la hora de controlar el tamaño de poro de los materiales de carbono, que viene determinado por el espesor de las paredes de sus poros (aproximadamente 1-5 nm) (Gierszal et al., Carbon 45 (2007) 2171).Carbon materials synthesized by the nanomolding method (OMCs) have aroused great interest since they have an ordered structure, which is an inverse replica of the mesoporous silicas used as molds, in addition to a very high surface area and a large pore volume . The greatest limitation of the use of ordered mesoporous silicas as molds is the little flexibility they offer when controlling the pore size of carbon materials, which is determined by the thickness of the walls of their pores (approximately 1- 5 nm) (Gierszal et al ., Carbon 45 (2007) 2171).

Otro tipo de molde, que permite controlar el tamaño de poro de los materiales carbonosos por encima de 5 nm, es la sílice coloidal (Han and Hydeon, Carbon 37 (1999) 1645). Estos moldes consisten en una disolución coloidal de partículas de sílice esféricas, cuyo diámetro puede ajustarse variando las condiciones de preparación. El uso de sílices coloidales comerciales representa una alternativa al uso de sílices porosas para sintetizar materiales de carbono mesoporosos con poros esféricos uniformes de cualquier diámetro por encima de 5 nm. Los materiales de carbono obtenidos por este método presentan elevadas áreas superficiales y grandes volúmenes de poro, que son generalmente superiores a los obtenidos por la técnica de nanomoldeo (Han et al., Chem. Mater. 12 (2000) 3337). De esta forma, no se requiere la síntesis previa del molde silíceo y además, el diámetro de poro del material carbonoso se puede controlar fácilmente utilizando una sílice coloidal apropiada, que está disponible en un amplio rango de tamaños de partícula (Joo et al., J. Electroceram. 17 (2006) 713), o variando las condiciones de síntesis como el pH o la relación molar entre el precursor de carbono y la sílice (Joo et al., Catal. Today 111 (2006) 171). Estos materiales se han utilizado como soporte de electrocatalizadores de Pt, PtRu (Kim et al., J. Power Sources 145 (2005) 139) o PtCr (Choi et al., J. Power Sources 156 (2005) 466). Al utilizar estos materiales carbonosos como soporte se obtienen mejores resultados que con los catalizadores comerciales, lo que se atribuye a la elevada área superficial que presenta este tipo de materiales, que combinada con su estructura mesoporosa, tienen un efecto positivo sobre la dispersión del metal y la difusión de reactivos y productos hasta y desde las partículas metálicas.Another type of mold, which allows controlling the pore size of the carbonaceous materials above 5 nm, is colloidal silica (Han and Hydeon, Carbon 37 (1999) 1645). These molds consist of a colloidal solution of spherical silica particles, the diameter of which can be adjusted by varying the preparation conditions. The use of commercial colloidal silicas represents an alternative to the use of porous silicas to synthesize mesoporous carbon materials with uniform spherical pores of any diameter above 5 nm. The carbon materials obtained by this method have high surface areas and large pore volumes, which are generally higher than those obtained by the nanomolding technique (Han et al ., Chem. Mater. 12 (2000) 3337). Thus, prior synthesis of the siliceous mold is not required and in addition, the pore diameter of the carbonaceous material can be easily controlled using an appropriate colloidal silica, which is available in a wide range of particle sizes (Joo et al ., J. Electroceram. 17 (2006) 713), or varying the synthesis conditions such as pH or molar ratio between carbon precursor and silica (Joo et al ., Catal. Today 111 (2006) 171). These materials have been used as a support for electrocatalysts from Pt, PtRu (Kim et al ., J. Power Sources 145 (2005) 139) or PtCr (Choi et al ., J. Power Sources 156 (2005) 466). By using these carbonaceous materials as support, better results are obtained than with commercial catalysts, which is attributed to the high surface area that this type of materials presents, which combined with its mesoporous structure, have a positive effect on the dispersion of the metal and the diffusion of reagents and products to and from metal particles.

Sin embargo, la conductividad electrónica de los electrodos durante las reacciones electroquímicas al usar estos electrocatalizadores no es elevada debido, entre otros factores, a la baja conductividad del material carbonoso. Esto provoca mayores pérdidas óhmicas en la pila de combustible y, por tanto, disminuye su eficacia.However, the electronic conductivity of electrodes during electrochemical reactions when using these electrocatalysts is not high due, among other factors, to the low conductivity of the carbonaceous material. This causes older ohmic losses in the fuel cell and therefore decreases its effectiveness

Descripción de la invenciónDescription of the invention

La presente invención proporciona un procedimiento para preparar un material de carbono mesoporoso (SMC) como soporte de electrocatalizadores para pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC ó DMFC). Este material tiene modificada su química superficial mediante tratamientos sencillos de oxidación, tanto en fase gas o en fase líquida, para crear grupos oxigenados superficiales y mejorar así la interacción metal-soporte.The present invention provides a procedure for preparing a mesoporous carbon material (SMC) as electrocatalyst support for fuel cells proton exchange membrane (PEMFC or DMFC). This material has its surface chemistry modified by treatments simple oxidation, both gas phase or liquid phase, to create surface oxygenated groups and improve interaction metal support.

Las excelentes propiedades texturales de los materiales carbonosos obtenidos mediante el uso de una sílice coloidal, como la elevada área superficial y el gran volumen de poro, facilitan el acceso del gas hasta las partículas metálicas, aumentando el área catalítica activa ya que facilitan el contacto entre el gas, el catalizador y el electrolito, que es donde tienen lugar las reacciones electroquímicas (O'Hayre et al., J. Electrochem Soc. 152 (2005) A439; Sasikumar et al., J. Power Sources 132 (2004) 11). Por otra parte, los grupos oxigenados superficiales, creados durante los tratamientos de oxidación, permiten mejorar la transferencia electrónica desde las partículas metálicas hasta el soporte durante las reacciones electroquímicas, mejorando así la conductividad electrónica en los electrodos. Ambos efectos dan lugar a menores pérdidas de polarización en la pila de combustible durante su funcionamiento, mejorando así su eficiencia energética.The excellent textural properties of the carbonaceous materials obtained through the use of a colloidal silica, such as the high surface area and the large pore volume, facilitate the access of the gas to the metal particles, increasing the active catalytic area since they facilitate the contact between gas, catalyst and electrolyte, which is where electrochemical reactions take place (O'Hayre et al ., J. Electrochem Soc. 152 (2005) A439; Sasikumar et al ., J. Power Sources 132 (2004) 11 ). On the other hand, the surface oxygenated groups, created during oxidation treatments, allow to improve the electronic transfer from the metal particles to the support during electrochemical reactions, thus improving the electronic conductivity in the electrodes. Both effects result in lower polarization losses in the fuel cell during operation, thus improving its energy efficiency.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material de carbono mesoporoso (SMC) que comprende los siguientes pasos:A first aspect of the present invention is refers to a procedure for obtaining a carbon material mesoporous (SMC) comprising the following steps:

a.to.
adición de sílice coloidal a un precursor polimérico de carbono, antes o después de su polimerización dependiendo del precursor, preferiblemente la adicción de sílice coloidal se lleva a cabo después de la polimerización del precursor;adding colloidal silica to a polymeric carbon precursor, before or after its polymerization depending on the precursor, preferably the Colloidal silica addiction is carried out after the polymerization of the precursor;

b.b.
curado térmico de la mezcla obtenida en el paso (a);thermal curing of the mixture obtained in step (a);

c.C.
carbonizado del compuesto obtenido en el paso (b);carbonized compound obtained in step (b);

d.d.
lavado del compuesto carbonizado en el paso (c) con ácido fluorhídrico (HF) o NaOH, para la eliminación de la sílice y obtener la porosidad del material carbonoso.washing of the carbonized compound in the step (c) with hydrofluoric acid (HF) or NaOH, for the removal of the silica and get the porosity of the carbonaceous material.

e.and.
oxidación del material obtenido en el paso (d), en fase líquida o gaseosa, preferiblemente se lleva a cabo en fase líquida.oxidation of the material obtained in the step (d), in the liquid or gaseous phase, is preferably carried out in liquid phase.

Por "precursor polimérico de carbono" se refiere en la presente invención a un compuesto carbonizable que dará lugar a la base carbonosa del material preparado. Este precursor puede ser, entre otros, una resina furánica o una mezcla de resorcinol y formaldehído, preferiblemente una resina furánica que está compuesta por alcohol furfurílico y formaldehído.By "polymeric carbon precursor" is refers in the present invention to a carbonizable compound that will give rise to the carbonaceous base of the prepared material. This precursor can be, among others, a furanic resin or a mixture of resorcinol and formaldehyde, preferably a furanic resin which is composed of furfuryl alcohol and formaldehyde.

Por "sílice coloidal" se entiende en esta descripción a una suspensión en agua de partículas de SiO_{2}, con un diámetro medio que puede ir desde 5 a 100 nanómetros. La selección del tamaño de partícula de la suspensión determina el diámetro de poro de los materiales de carbono obtenidos.By "colloidal silica" is understood in this description of a suspension in water of SiO2 particles, with an average diameter that can range from 5 to 100 nanometers. The Selection of the particle size of the suspension determines the pore diameter of the carbon materials obtained.

La polimerización del precursor de carbono del procedimiento de la invención se lleva a cabo mediante cualquier método conocido por un experto en la materia.The polymerization of the carbon precursor of procedure of the invention is carried out by any method known to a person skilled in the art.

Antes o después de polimerizar el precursor de carbono, se adiciona la sílice coloidal, y el compuesto formado después de someter la mezcla a un curado térmico se carboniza a una temperatura que puede ser igual o superior a unos 600ºC.Before or after polymerizing the precursor of carbon, colloidal silica is added, and the compound formed After subjecting the mixture to thermal curing, it is carbonized to a temperature that can be equal to or greater than about 600 ° C.

El curado térmico del compuesto obtenido en el paso (a) se lleva a cabo para que tenga lugar la solidificación del mismo. Las condiciones de dicho curado dependerán del precursor polimérico de carbono utilizado. De esta forma, la temperatura de curado suele variar entre la temperatura ambiente y hasta aproximadamente 120ºC.The thermal curing of the compound obtained in the step (a) is carried out so that solidification of the same. The conditions of said curing will depend on the precursor Carbon polymer used. In this way, the temperature of curing usually varies between room temperature and up approximately 120 ° C.

El lavado del compuesto carbonizado del paso (c), descrito anteriormente, con ácido fluorhídrico (HF) o hidróxido de sodio (NaOH) daría lugar a la mesoporosidad del material tras ser eliminada la sílice coloidal mediante dicho lavado. El material de carbono producido mediante esta técnica se designa como SMC (Silica sol-Mediated synthesized Carbon).Washing the carbonized compound of step (c), described above, with hydrofluoric acid (HF) or sodium hydroxide (NaOH) would result in the mesoporosity of the material after the colloidal silica was removed by said washing. The carbon material produced by this technique is designated as SMC ( Silica sol-Mediated synthesized Carbon ).

Uno de los pasos más relevantes para obtener el material de carbono mesoporoso de la invención es la oxidación del material obtenido después del lavado descrito anteriormente. Este proceso de oxidación se lleva a cabo mediante la utilización de un agente oxidante, en fase líquida o gaseosa, que preferiblemente puede ser, pero sin limitarse a oxígeno, ozono, un halógeno, permanganato hipoclorito, clorato, ácido nítrico ó peróxidos. Preferiblemente el agente oxidante es ácido nítrico.One of the most relevant steps to get the Mesoporous carbon material of the invention is the oxidation of the material obtained after washing described above. This oxidation process is carried out by using a oxidizing agent, in liquid or gas phase, which preferably it can be, but not limited to oxygen, ozone, a halogen, permanganate hypochlorite, chlorate, nitric acid or peroxides. Preferably the oxidizing agent is nitric acid.

Una realización preferida del procedimiento de obtención del soporte SMC además comprende el paso de: secar, lavar con agua y volver a secar el compuesto obtenido antes del proceso de oxidación.A preferred embodiment of the process of obtaining the SMC support also includes the step of: drying, washing with water and re-dry the compound obtained before the process of oxidation.

El soporte SMC obtenido mediante el procedimiento anteriormente descrito se puede utilizar para la fabricación de un electrocatalizador.The SMC support obtained through the procedure described above can be used for the manufacture of an electrocatalyst.

Por tanto, otro aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de un electrocatalizador que comprende:Therefore, another aspect of the present invention refers to a procedure to obtain a electrocatalyst comprising:

a.to.
impregnación o deposición de un metal en el material de carbono mesoporoso (SCM), obtenido según el procedimiento descrito anteriormente; yimpregnation or deposition of a metal in the mesoporous carbon material (SCM), obtained according to procedure described above; Y

b.b.
opcionalmente reducción del metal soportado en SCM, en el caso que sea necesario, dependiendo del método utilizado en el paso (a). Por ejemplo la reducción del metal sería necesaria si se realiza una impregnación a humedad incipiente de SCM con una disolución de una sal de metal.optionally metal reduction supported in SCM, if necessary, depending on the method used in step (a). For example metal reduction would be necessary if impregnation of incipient moisture is performed of SCM with a solution of a metal salt.

El metal para la obtención de un electrocatalizador se selecciona preferiblemente de Pt o combinaciones de Pt con al menos otro metal que se puede seleccionar de entre, pero sin limitarse a Ru, Cr, Re, Os, Mo, Sn, Cr, Ni, Rh, Ir, W, Co ó Pd. Por tanto, pueden ser bimetálico o trimetálico. Preferiblemente el metal es Pt o PtRu.The metal for obtaining a Electrocatalyst is preferably selected from Pt or Pt combinations with at least one other metal that can be selected between, but not limited to Ru, Cr, Re, Os, Mo, Sn, Cr, Ni, Rh, Go, W, Co or Pd. Therefore, they can be bimetallic or trimetallic. Preferably the metal is Pt or PtRu.

Otro aspecto de la presente invención se refiere a un electrocatalizador obtenible por el procedimiento anteriormente descrito.Another aspect of the present invention relates to to an electrocatalyst obtainable by the procedure above described

Otro aspecto más de la presente invención se refiere al uso del electrocatalizador de la invención para la fabricación de una MEA (membrane-electrode assembly) para una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC o DMFC).Another aspect of the present invention is refers to the use of the electrocatalyst of the invention for the manufacture of an MEA (membrane-electrode assembly) for a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC or DMFC).

Existen diferentes sectores productivos dentro de los campos de la industria química, la producción de energía y el cuidado del medioambiente a los que se puede aplicar los diferentes aspectos de la presente invención. Entre ellos destacan las empresas que trabajan en la fabricación de catalizadores y en el sector del transporte, donde se está desarrollando la tecnología de las pilas de combustible para sustituir a los motores de combustión interna convencionales.There are different productive sectors within from the fields of the chemical industry, energy production and the environmental care to which the different ones can be applied aspects of the present invention. Among them, companies stand out working in the manufacture of catalysts and in the sector of transport, where battery technology is being developed of fuel to replace internal combustion engines conventional.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.Throughout the description and the claims the word "comprises" and its variants not they intend to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will be partly detached of the description and in part of the practice of the invention. The The following examples are provided by way of illustration, and are not It is intended to be limiting of the present invention.

Ejemplos Examples

Los siguientes ejemplos representan una descripción más detallada de la invención que pone de manifiesto la efectividad del electrocatalizador de la presente invención.The following examples represent a more detailed description of the invention that highlights the effectiveness of the electrocatalyst of the present invention.

Ejemplo 1Example 1

Este ejemplo ilustra la síntesis de catalizadores basados en platino soportado sobre materiales de carbono mesoporosos obtenidos a partir de una sílice coloidal. Este catalizador se utilizó para producir energía en una celda de combustible de electrolito polimérico tipo PEM.This example illustrates the synthesis of Platinum-based catalysts supported on materials Mesoporous carbon obtained from a colloidal silica. This catalyst was used to produce energy in a cell of PEM type polymer electrolyte fuel.

El catalizador fue preparado como se describe a continuación:The catalyst was prepared as described in continuation:

Se tomaron 15 ml de una resina furánica (alcohol furfurílico y formaldehído) y se añadieron 15 ml de acetona, para diminuir su viscosidad y facilitar la posterior mezcla con la suspensión de sílice coloidal. Posteriormente, se añadió 0.5 ml de HNO_{3} (65%) para polimerizar la resina. Una vez conseguida una disolución homogénea, se añadieron 30 ml de la disolución comercial de sílice coloidal Ludox SM-30 y se mantuvo la mezcla en agitación hasta la formación de un gel (composite). A continuación, el composite se sometió a un curado térmico primero a temperatura ambiente durante 72 h, y después a 108ºC en una estufa durante 24 h.15 ml of a furanic resin (furfuryl alcohol and formaldehyde) were taken and 15 ml of acetone was added, to reduce its viscosity and facilitate subsequent mixing with the colloidal silica suspension. Subsequently, 0.5 ml of HNO3 (65%) was added to polymerize the resin. Once a homogeneous solution was achieved, 30 ml of the commercial solution of Ludox SM-30 colloidal silica was added and the mixture was kept under stirring until a gel ( composite ) was formed. Next, the composite was subjected to thermal curing first at room temperature for 72 h, and then at 108 ° C in an oven for 24 h.

Una vez curado, el composite se muele, para conseguir que el proceso de carbonización se lleve a cabo de forma homogénea, y se introduce en un reactor de kanthal de 68 cm de longitud y 2.5 cm de diámetro, donde se carboniza a 700ºC en atmósfera de nitrógeno (100 ml/min) durante 3 h. Por último, se realizó un lavado con 100 ml de HF a temperatura ambiente durante 24 h, para eliminar la sílice coloidal y obtener el material carbonoso. Después del tratamiento con HF, el material de carbono se filtró y se lavó con abundante agua destilada hasta obtener un pH =7 del filtrado. A continuación se secó en una estufa a 108ºC durante una noche.Once cured, the composite is ground, to ensure that the carbonization process is carried out in a homogeneous way, and is introduced into a 68 cm long and 2.5 cm diameter kanthal reactor, where it is carbonized at 700ºC in atmosphere of nitrogen (100 ml / min) for 3 h. Finally, a wash with 100 ml of HF was carried out at room temperature for 24 h, to remove the colloidal silica and obtain the carbonaceous material. After treatment with HF, the carbon material was filtered and washed with plenty of distilled water until a pH = 7 of the filtrate was obtained. It was then dried in an oven at 108 ° C overnight.

Para llevar a cabo la oxidación del soporte, se introdujo en 100 ml de una disolución de HNO_{3} 2M con agitación continua. Transcurrida 0.5 h, el soporte se filtró y lavó con abundante agua destilada hasta obtener un filtrado de pH=7. A continuación se secó en una estufa a 108ºC durante una noche.In order to carry out the oxidation of the support, introduced in 100 ml of a solution of 2M HNO3 with stirring keep going. After 0.5 h, the support was filtered and washed with abundant distilled water until a pH = 7 filtrate is obtained. TO It was then dried in an oven at 108 ° C overnight.

Una vez preparado el soporte, se depositó la fase activa (platino) por el método de impregnación a humedad incipiente. Para preparar 1 g de catalizador, se disolvieron 531 mg de H_{2}PtCl_{6}\cdot6H_{2}O en 8 ml de una disolución de etanol:agua 1:1 (v/v). Dicha disolución se añadió gota a gota sobre 1 g de soporte y se mezcló bien utilizando una varilla de cristal hasta que el soporte estuvo húmedo. En ese momento se introdujo en una estufa a 60ºC para secarlo. Este proceso se repitió hasta impregnar el soporte con toda la disolución.Once the support was prepared, the active phase (platinum) by moisture impregnation method incipient. To prepare 1 g of catalyst, 531 mg was dissolved of H 2 PtCl 6 · 6H 2 O in 8 ml of a solution of ethanol: 1: 1 water (v / v). Said solution was added dropwise on 1 g of support and mixed well using a glass rod until the support was wet. At that time it was introduced in an oven at 60 ° C to dry it. This process was repeated until impregnate the support with all the solution.

Una vez impregnado el soporte, se introdujo en un reactor de cuarzo de 17 mm de diámetro interno y 425 mm de longitud y se pasó una corriente de nitrógeno hasta alcanzar 300ºC. Una vez alcanzada esta temperatura, se pasó una corriente de H_{2} (50 ml/min) durante 2 h para reducir el precursor de Pt a su estado metálico. El enfriamiento del sistema se llevó a cabo de nuevo en atmósfera de nitrógeno. Se prepararon catalizadores con un 20% wt. de Pt para poder compararlos con el catalizador comercial (E-TEK), que contiene el mismo porcentaje de platino.Once the support was impregnated, it was introduced in a quartz reactor with an internal diameter of 17 mm and 425 mm of length and a stream of nitrogen was passed to reach 300 ° C. Once this temperature was reached, a current of H2 was passed (50 ml / min) for 2 h to reduce the precursor of Pt to its state metal. The cooling of the system was carried out again in nitrogen atmosphere Catalysts were prepared with 20% wt. of Pt to be able to compare them with the commercial catalyst (E-TEK), which contains the same percentage of platinum.

Ejemplo 2Example 2

Una vez preparado el catalizador, se preparó la MEA para posteriormente, probarla en una celda de combustible.Once the catalyst was prepared, the MEA to later test it in a fuel cell.

La MEA se preparó como se describe a continuación:The MEA was prepared as described in continuation:

El catalizador preparado se probó en el ánodo de una celda de combustible PEM. Para ello, antes de prepara la MEA fue necesario preparar el electrodo con el catalizador basado en Pt/SMC.The prepared catalyst was tested at the anode of a PEM fuel cell. To do this, before preparing the MEA was it is necessary to prepare the electrode with the catalyst based on Pt / SMC.

Se preparó una suspensión de 6.35 mg de catalizador y 21.2 mg de una disolución de Nafion al 10% wt. en 0.5 ml de etanol, y se depositó sobre un electrodo de difusión de gas comercial, GDL ELAT carbón (gas diffusion layer) de E-TEK. La capa de difusión de gas consiste en una lámina de carbón cloth sobre la cual se ha depositado un estrato de carbón y teflón en un solo lado. La cantidad de catalizador empleada en la suspensión era tal que el contenido del electrodo preparado contenía 0.5 mg Pt/cm^{2}, para poder compararlo con el electrodo de difusión de gas comercial (E-TEK Inc.) basado en Pt/carbon black (Pt, 20%, 0.5 mg/cm^{2}).A suspension of 6.35 mg of catalyst and 21.2 mg of a 10% Nafion solution wt was prepared. in 0.5 ml of ethanol, and deposited on a commercial gas diffusion electrode, GDL ELAT carbon ( gas diffusion layer ) from E-TEK. The gas diffusion layer consists of a sheet of carbon cloth on which a layer of carbon and Teflon has been deposited on one side. The amount of catalyst employed in the suspension was such that the content of the prepared electrode contained 0.5 mg Pt / cm2, so that it could be compared with the commercial gas diffusion electrode (E-TEK Inc.) based on Pt / carbon black (Pt, 20%, 0.5 mg / cm2).

La MEA (Membrane-Elelctrode Assembly) se preparó utilizando el electrodo preparado como ánodo, y como cátodo un electrodo comercial de difusión de gas (E-TEK Inc.). El electrodo comercial de difusión de gas estaba basado en carbón cloth "A", con un espesor de 350 \mum. El electrodo es hidrófobo debido a la deposición de un estrato de carbón y teflón en una de sus caras, en el cual se ha depositado un catalizador de Pt/carbon black (Pt, 20%, 0.5 mg/cm^{2}). El catalizador presenta un área superficial específica de 128 m^{2}/g y un tamaño de partícula de Pt de 2 nm.The MEA ( Membrane-Elelctrode Assembly ) was prepared using the electrode prepared as an anode, and as a cathode a commercial gas diffusion electrode (E-TEK Inc.). The commercial gas diffusion electrode was based on carbon cloth "A", with a thickness of 350 µm. The electrode is hydrophobic due to the deposition of a carbon and Teflon layer on one of its faces, in which a Pt / carbon black catalyst (Pt, 20%, 0.5 mg / cm2) has been deposited. The catalyst has a specific surface area of 128 m2 / g and a particle size of Pt of 2 nm.

La MEA se preparó utilizando la técnica de prensado en caliente (hot-pressing) mediante una prensa cuyas placas metálicas se han mantenido a 120ºC. La membrana polimérica de intercambio protónico (Nafion® 115) y los electrodos se unieron aplicando una presión de 20 kg/cm^{2} durante 90 s.The MEA was prepared using the hot-pressing technique by means of a press whose metal plates have been kept at 120 ° C. The proton exchange polymeric membrane (Nafion® 115) and the electrodes were joined by applying a pressure of 20 kg / cm2 for 90 s.

Previamente a su utilización en la preparación de las diferentes MEA, la membrana polimérica Nafion® 115 (Du Pont Chemical) se pretrató con una disolución de H_{2}O_{2} al 3% a 80ºC durante 1 h para eliminar las impurezas orgánicas y a continuación con una disolución de H_{2}SO_{4} 0.5 M a 80ºC durante 1 h. El H_{2}SO_{4} se eliminó mediante repetidos lavados con agua destilada hirviendo.Prior to its use in the preparation of the different MEAs, the Nafion® 115 polymer membrane (Du Pont Chemical) was pretreated with a solution of 3% H 2 O 2 at 80 ° C for 1 h to remove organic impurities and at then with a solution of H 2 SO 4 0.5 M at 80 ° C for 1 h. H 2 SO 4 was removed by repeated washed with boiling distilled water.

Ejemplo 3Example 3

La MEA preparada con el catalizador propuesto en la patente se probó en una celda de combustible PEM de 1 cm^{2} de área geométrica, trabajando a temperatura ambiente y presión atmosférica. La reacción que tiene lugar en la celda es la siguiente: H_{2} + O_{2} \rightarrow H_{2}O + calor + electricidad.The MEA prepared with the catalyst proposed in the patent was tested in a 1 cm2 PEM fuel cell of geometric area, working at room temperature and pressure atmospheric The reaction that takes place in the cell is the next: H_ {2} + O_ {2} \ rightarrow H2_ + heat + electricity.

La celda está equipada con cuatro borboteadores que contienen agua destilada a través de los cuales se hacen pasar los gases para humidificarlos, tanto a la entrada como a la salida de la celda. A la entrada de la celda, la humidificación de los gases permitió mantener una buena conductividad protónica del Nafion, mientras que a la salida, permitió controlar el paso adecuado de los gases a través de la celda. El flujo de hidrógeno y oxígeno alimentado se controló mediante rotámetros y fue de 9 ml/min y 50 ml/min, respectivamente.The cell is equipped with four bubblers containing distilled water through which they are passed the gases to humidify them, both at the entrance and at the exit of the cell. At the entrance of the cell, the humidification of the gases allowed to maintain a good proton conductivity of the Nafion, while at the exit, allowed to control the passage adequate gases through the cell. Hydrogen flow and fed oxygen was controlled by rotameters and was 9 ml / min and 50 ml / min, respectively.

La celda utilizada estaba formada por dos electrodos, en los cuales el ánodo representa tanto el electrodo de referencia como el de medida, mientras que el cátodo representa el electrodo de trabajo.The cell used was formed by two electrodes, in which the anode represents both the electrode of reference as the measurement, while the cathode represents the working electrode

El comportamiento de la celda se determinó mediante el registro de las curvas de polarización, V (voltaje de la celda) vs j (densidad de corriente), obtenidas mediante un potenciostato/galvanostato (AMEL 2049). El ánodo y el cátodo de la celda estaban unidos al potenciostato/galvanostato mediante un hilo y un anillo de platino, que permitían el contacto eléctrico con la membrana de difusión de gas. Las medidas se realizaron en modalidad galvanostática, seleccionando la polaridad negativa del electrodo de trabajo respecto al de referencia y detectando el potencial de la celda al variar la intensidad de la misma.The behavior of the cell was determined by registering the polarization curves, V (voltage of the cell) vs j (current density), obtained by a potentiostat / galvanostat (AMEL 2049). The anode and cathode of the cell were attached to the potentiostat / galvanostat by means of a wire and a platinum ring, which allowed electrical contact with the gas diffusion membrane. The measurements were carried out in modality galvanostatic, selecting the negative polarity of the electrode of work with respect to the reference and detecting the potential of the cell by varying the intensity of it.

Claims (15)

1. Procedimiento de obtención de un material de carbono mesoporoso (SMC) que comprende:1. Procedure for obtaining a material of mesoporous carbon (SMC) comprising:
a.to.
adición de sílice coloidal a un precursor polimérico de carbono;adding colloidal silica to a polymeric carbon precursor;
b.b.
curado térmico del compuesto obtenido en el paso (a);thermal curing of the compound obtained in step (a);
c.C.
carbonizado del compuesto obtenido en el paso (b);carbonized compound obtained in step (b);
d.d.
lavado del compuesto carbonizado en el paso (c) con ácido fluorhídrico (HF) o NaOH.washing of the carbonized compound in the step (c) with hydrofluoric acid (HF) or NaOH.
e.and.
oxidación del material obtenido en el paso (d).oxidation of the material obtained in the step (d).
         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la polimerización del precursor de carbono se lleva a cabo antes de adicionar la sílice coloidal.2. Method according to claim 1, where the polymerization of the carbon precursor is carried out before adding colloidal silica. 3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, que además comprende los pasos de: secar, lavar con agua y volver a secar el compuesto obtenido en el paso (d).3. Procedure according to any of the claims 1 or 2, further comprising the steps of: drying, wash with water and re-dry the compound obtained in the step (d). 4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el precursor de carbono es una resina furánica.4. Procedure according to any of the claims 1 to 3, wherein the carbon precursor is a resin Furious. 5. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la oxidación del paso (e) se lleva a cabo con ácido nítrico.5. Method according to claim 1, where the oxidation of step (e) is carried out with acid nitric. 6. Material de carbono mesoporoso (SMC) obtenible por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.6. Mesoporous carbon material (SMC) obtainable by the procedure according to any of the claims 1 to 5. 7. Procedimiento para la obtención de un electrocatalizador que comprende:7. Procedure for obtaining a electrocatalyst comprising:
a.to.
la impregnación o deposición de un metal en el material de carbono mesoporoso (SCM) descrito en la reivindicación 6.the impregnation or deposition of a metal in the carbon material mesoporous (SCM) described in claim 6.
         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
8. Procedimiento según la reivindicación 7, que además comprende:8. Method according to claim 7, which It also includes:
b.b.
reducción del metal soportado en el material de carbono mesoporoso obtenido en el paso (a).reduction of the metal supported in the mesoporous carbon material obtained in step (a).
         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde el metal es Pt ó PtRu.9. Procedure according to any of the claims 7 or 8, wherein the metal is Pt or PtRu. 10. Electrocatalizador obtenible por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, que comprende un metal soportado en un material carbonoso mesoporoso según la reivindicación 6.10. Electrocatalyst obtainable by the method according to any of claims 7 to 9, which comprises a metal supported on a mesoporous carbonaceous material according to claim 6. 11. Uso del electrocatalizador según la reivindicación 10, para la fabricación de una MEA.11. Use of the electrocatalyst according to the claim 10, for the manufacture of an MEA. 12. MEA que comprende un electrocatalizador según la reivindicación 10.12. MEA comprising an electrocatalyst according to claim 10. 13. Uso de MEA según la reivindicación 12, para la fabricación de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones.13. Use of MEA according to claim 12, for manufacturing a membrane fuel cell proton exchange 14. Celda de combustible que comprende MEA según la reivindicación 12.14. Fuel cell comprising MEA according to claim 12. 15. Uso de la celda de combustible según la reivindicación 14, para la obtención de energía.15. Use of the fuel cell according to claim 14, for obtaining energy.
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