Catalysts based on non-noble metals and carbon for energy applications

• Autores: C. Alegre, D. Sebastián, M. J. Lázaro
• Localización: Boletín del Grupo Español del Carbón, ISSN-e 2172-6094, Nº. 52, 2019, págs. 20-27
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Catalizadores basados en carbono y metales no nobles para aplicaciones energéticas
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• Resumen
  • español

    Las nanoestructuras de carbono han recibido una atención creciente en electrocatálisis debido a su configuración electrónica con abundantes electrones π que son beneficiosos para las reacciones que demandan electrones, como las que ocurren en dispositivos electroquímicos para la conversión o almacenamiento de energía, como baterías o pilas de combustible. Mientras que las baterías recargables almacenan y descargan directamente la energía eléctrica, las pilas de combustible convierten de modo continuo la energía química de un combustible como el hidrógeno en electricidad y calor. Ambos sistemas representan la solución ideal para vehículos y dispositivos que consumen energía, ya que son no contaminantes y son altamente eficientes. Sin embargo, aún quedan algunos desafíos técnicos que estos dispositivos tienen en común: su coste y durabilidad aún están lejos de resultar prácticos para su comercialización. La baja cinética de la reacción de reducción de oxígeno, que tiene lugar en el cátodo de las pilas de combustible, o en el electrodo positivo en algunos tipos de baterías, es un proceso limitante, que requiere el uso de electrodos basados en metales nobles como los del grupo del Pt (PGM). Los PGM son elementos escasos y con un coste muy elevado. Entre las diversas estrategias para reemplazar los PGM, los materiales de carbono dopados son una alternativa reciente y poco explorada, con excelentes perspectivas en términos de coste y disponibilidad, pero todavía no se ha alcanzado actividad y estabilidad suficiente. En particular, se espera que las estructuras basadas en grafeno permitan la mejora de la actividad catalítica derivada de su peculiar morfología 2D. Todavía hay una gran controversia sobre la naturaleza de los sitios activos y la influencia de los metales no nobles como Fe o Co en la actividad electro-catalítica. En cualquier caso, la presencia de átomos de bajo peso atómico, como el nitrógeno, como dopantes en la matriz carbonosa, es esencial para conferir características de adsorción de oxígeno apropiadas y suficiente actividad catalítica. En este trabajo, revisaremos el creciente interés en estos catalizadores para dispositivos electroquímicos con aplicaciones en energía

  • English

    Carbon nanostructures have received increasing attention in electrocatalysis due to their surface electronic configuration with abundant π electrons which are beneficial for electron demanding reactions, like those occurring in electrochemical devices for the conversion or storage of energy, such as supercapacitors, batteries or fuel cells. While rechargeable batteries directly store and discharge electric power, fuel cells continuously convert the chemical energy of a fuel like hydrogen into electricity and heat. Both systems, along with supercapacitors, represent the ideal solution for non-polluting and highly efficient vehicles and power consumers. However, there are still some remaining technical challenges that these devices have in common: cost and durability are still far from practical application. In particular, some types of batteries and fuel cells share the common problem associated to the sluggishness of the oxygen reduction reaction (ORR). The ORR is the limiting process, determining the efficiency of these devices and requiring the use of noble metals of the platinum group (PGM) at the electrodes. Among the several strategies to replace PGM, doped carbon materials are a recent and unexplored alternative with great perspectives in terms of cost and availability, but yet poor activity and stability. In particular, graphene structures are expected to allow for the enhancement of the catalytic activity derived from its peculiar 2D morphology. There is still a great and recent controversy about the nature of active sites and the influence of non-noble metals like Fe or Co on the electro-catalytic activity. In any case, the presence of low atomic weight atoms, like nitrogen, as dopants in the catalyst matrix is essential to confer appropriate oxygen adsorption characteristics and sufficient catalytic activity. In this work, we will review the huge rise of research works on these catalysts for electrochemical devices in energy applications, in particular fuel cells and metal-air batteries