INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA QUMICA E INDUSTRIAS
EXTRACTIVAS
Alumno: OSEGUERA AMEZCUA EDWIN RAMN
Numero de boleta: 2008321207
Carrera: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL
Semestre que acredita: 6 SEMESTRE
Grupo: 7IV2
Correo electrnico: [email protected]
Empresa donde se realizo la prctica profesional: Laboratorio de
electroqumica y catlisis ESIQIE
Nombre del profesor: Lilia Mercedes Palacios Lazcano
Fecha de entrega: 29 de Noviembre del 2012INDICE
INTRODUCCION..2
GENERALIDADES...2
CROQUIS DE LA EMPRESA..4
ACTIVIDADES DE LA EMPRESA.5
ACTIVIDADES REALIZADAS POR EL ALUMNO.5
OBSERVACIONES TECNICAS10
RECOMENDACIONES TECNICAS..10
BIBLIOGRAFIA..11
INTRODUCCIN.En la estancia en el Laboratorio de electroqumica y
corrosin se tuvo como objetivo la determinacin de la actividad
cataltica en la reaccin de reduccin de O2 de una celda de
combustible con compuestos de Pt-C, Pd3Fe y Pt-C/WO2 Obtenindose
resultados favorables.
CELDA DE COMBUSTIBLE
La celda de combustible es un dispositivo electroqumico que
convierte la energa qumica de la reaccin entre el hidrgeno (H2) y
el oxgeno (O2) en electricidad y calor. El subproducto de dicha
reaccin es agua (H2O).
Una celda de combustible est compuesta por dos electrodos, un
nodo y un ctodo, separados por un electrolito que facilita la
transferencia inica. Entre los electrodos se genera una corriente
elctrica que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o batera
convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que
se prolonga mientras contine el suministro de los reactivos.
PRINCIPIO DE OPERACION
El hidrgeno (H2) se alimenta por el electrodo negativo (nodo) y
se disocia, al contacto con el catalizador, en iones positivos H+ y
electrones. La membrana de intercambio protnico 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 elctrica que alimenta el servicio requerido para despus
llegar de igual forma al ctodo. El oxgeno (O2) procedente del aire
penetra por el electrodo opuesto (ctodo) y se disocia igualmente en
presencia del catalizador en iones O2-. En el ctodo los iones
hidrgeno, el oxgeno y los electrones se vuelven a combinar para
formar molculas de agua.
Las reacciones qumicas que tienen lugar en una celda de
combustible son las siguientes:
La reaccin de reduccin de oxgeno (RRO) es una reaccin
multielectrnica compleja. Esta reaccin se lleva a cabo en las pilas
de combustible, sensores y en bateras metal-aire. La reaccin global
en una celda de combustible de membrana de intercambio protnico est
controlada por la reaccin catdica, por ser sta cinco rdenes de
magnitud ms lenta que la reaccin andica. Los electrodos con
materiales nanomtricos han mostrado un alto desempeo en la reaccin
de reduccin del oxgeno (RRO) y esta alta actividad depende del
tamao de las partculas, de la naturaleza del soporte y del mtodo de
preparacin. En la actualidad la preparacin de nanopartculas de
metales de transicin, con dimetros de algunos nanmetros y con
grandes reas superficiales, es un reto para muchos centros de
investigacin alrededor del mundo, por lo que se han empleado
diferentes rutas de sntesis para la obtencin de nuevos materiales
electrocatalticos, como lo es la molienda mecnica. Con esta tcnica
es posible obtener aleaciones, pueden ser fases meta-estables,
incluyendo soluciones slidas, fases amorfas, estructuras
nanocristalinas y compsitos, adems de ser utilizada para la
fabricacin de materiales avanzados que son difciles de obtener por
tcnicas de fusin convencionales. En este trabajo se presenta la
sntesis y evaluacin de la actividad cataltica de compuestos de
Pt-C, Pd3Fe y Pt-C/WO2 en la RRO en medio cido, preparados con
diferentes tiempos de molienda.Para el anlisis de dichas muestras
se utilizan tcnicas electroqumicas como lo son la voltametria
cclica y la voltametria lineal, ya que Las tcnicas electroqumicas
experimentales para el estudio de la cintica electrdica, como la
mayora de los mtodos fsico-qumicos, 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 deteccin permite obtener la informacin acerca de las
propiedades del sistema. La perturbacin del equilibrio de un
sistema electroqumico se consigue mediante la variacin del
potencial del electrodo, paso de corriente, variacin de
concentracin de especie electroactiva, cambios de presin o
temperatura, o por medio de otros procedimientos de excitacin. En
general se utiliza una variacin de potencial o la aplicacin de una
corriente, el sistema responde a estas perturbaciones con cambios
en su comportamiento, que pueden seguirse por las variaciones del
potencial del electrodo, de la corriente o de la carga.En general,
las tcnicas electroqumicas experimentales proporcionan informacin
acerca de la relacin entre la corriente y el potencial, tiempo
transcurrido desde el comienzo del proceso y en algunas ocasiones,
la carga transferida. La seleccin de la tcnica a emplear para un
estudio determinado requiere la eleccin de la variable elctrica a
controlar y considerar la posibilidad de obtencin de la variable a
medir.GENERALIDADES.
La direccin del laboratorio es ESIQIE-IPN, Laboratorio de
electroqumica y corrosin, UPALM Edificio 5, CP 07738, Mxico D.F las
actividades productivas realizadas en este laboratorio es la de
impartir clases alumnos de la carreara de ingeniera qumica
industrial y realizar estudios cientficos a si como
caracterizaciones experimentaciones electroqumicas para dar
soluciones alternas a los problemas que se presentan en la
industria.
ORGANIGRAMA DE ESIQIE
CROQUIS DE UBICACIN:
Unidad Profesional "Adolfo Lpez Mateos", Edificio Z5 Colonia
Lindavista, Cdigo Postal 07738 Delegacin Gustavo A .Madero Ciudad
de Mxico,Distrito Federal,Mxico
ACTIVIDADES DEL LABORATORIO DE ELECTROQUMICA Y CORROSIN
Bsicamente el laboratorio de electroqumica y corrosin cuenta con
un proceso para realizar experimentaciones y estudios que puedan
resolver problemas en la industria como la contaminacin generada
por el uso de fuentes energticas derivadas por el uso de
combustibles fsiles usando como alternativas el uso de pilas de
combustible tipo PEM puesto que en laboratorio se analizan y
caracterizan catalizadores que sirven para la construccin y
funcionamiento de la pila de combustible tipo PEM.
Adems a nivel escolar en sptimo semestre los alumnos de la
ESIQIE tienen la oportunidad de adquirir y reforzar conocimientos
asignados en la teora. Las prcticas que se imparten en el
laboratorio son:
Electrolisis Leyes de Faraday Titulacin conductimetrica Potencia
normal Pilas de combustible Anlisis potenciomtrico Corrosin Celda
Hull
Estas prcticas comprenden desde la parte ms fundamental de la
electroqumica como lo es Electrolisis, Potencia normal y Leyes de
Faraday, hasta practicas con aplicaciones mas definidas y de mayor
auge en la industria qumica como Corrosin y Pilas de
combustible.
ACTIVIDADES REALIZADAS POR EL ALUMNO.
Las actividades realizadas en el laboratorio han sido destinadas
a la caracterizacin electroqumica de catalizadores para celda de
combutible, en dichos catalizadores es de gran importancia su buen
desempeo en la RRO (reaccin de reduccin de oxigeno) ya que esta
reaccin es la mas lenta en la celda de combustible (como ya se ha
mencionado). El catalizador de mejor rendimiento para dicha reaccin
es el Pt sin embargo este metal es de costo elevado y no se
encuentra en gran cantidad en el planeta, por lo que actualmente se
realizan investigaciones para sintetizar compuestos bimetlicos o
trimetalicos con materiales mas econmicos (Pd, Ru, Rh, W, Cu, Fe,
etc) y de mayor abundancia en el planeta, con lo cual se conseguira
la proyeccin de las celdas de combustible como una alternativa de
obtencin de energa y sobretodo por su propiedad intrnseca de emitir
como subproducto agua con lo cual se reducira de manera drstica la
contaminacin ambiental producida por los procesos de combustin
cuyos subproductos son gases de efecto invernadero como: CO2, NO2,
NO3 SO2, SO3, etc.
PREPARACIN DE ELECTRODOS.Para poder obtener datos precisos en
cada experimentacin es necesario preparar de manera correcta un
electrodo de trabajo, esto se logra elaborando una tinta cataltica
homognea, y aplicando la tinta en el centro del electrodo cubriendo
de manera uniforme el rea geomtrica del carbn vtreo. La tinta
cataltica utilizada en la experimentacin se preparo mediante el
siguiente procedimiento:1. Se peso con la balanza analtica 1mg del
catalizador en un vial, se le agrega 60 L de alcohol etlico grado
cromatografico 6 L de Nafion.2. Esta mezcla se homogenizo en un
ultrasonido durante un tiempo de 15 minutos para poder obtener la
tinta cataltica. Se utilizo un ultrasonido modelo BRANSON 1510.3.
Se tomo una alcuota de 8 L de la tinta cataltica y se coloca con
cuidado en el centro del electrodo de trabajo cuidando de cubrir
toda la superficie geomtrica de carbn vtreo.
Figura2.2. Ultrasonido modelo BRANSON 1510.Se dejo secar la
tinta depositada en el electrodo de trabajo a temperatura ambiente
por un tiempo aproximado de 15 minutos. Ya que la tinta se seco se
acopla el electrodo con la tinta seca en el equipo EDR (electrodo
de disco rotatorio) para empezar el estudio electroqumico.SISTEMAS
ELECTRO QUMICOSLos estudios electroqumicos se realizaron utilizando
una celda de vidrio Pyrex que consta de tres electrodos figura 2.3,
un electrodo de trabajo de carbn vtreo, un electrodo de referencia
de Hg/Hg2SO4, 0.5M H2SO4 (E=0.680 V/ENH) y como contraelectrodo una
malla de platino con superficie geomtrica superior a 10 cm2. Los
potenciales se reportan respecto al electrodo normal de hidrgeno,
ENH (Electrodo normal de hidrogeno).
Figura 2.3 celda electroqumicaEl electrodo de trabajo tiene un
rea geomtrica de 0.196cm2 figura 2.4. Se prepar depositando una
pelcula delgada de 8 L de tinta cataltica, preparada con 1mg de
catalizador mezclado con 6 L de Nafion lquido (5% w en alcohol
etlico) como soporte y 60 L de alcohol etlico como disolvente. Para
obtener una suspensin homognea se mantuvo la tinta preparada en
ultrasonido por 20 minutos.
Figura 2.4 electrodo de trabajoLa caracterizacin electroqumica
se llev a cabo con un electrodo de disco rotatorio (EDR) figura2.5,
con un rotor Pine con control para diferentes velocidades de
rotacin.
Figura 2.5 electrodo disco rotatorioEl equipo se conecta a un
Potenciostato/Galvanostato 263A (EG&G PAR), cuya respuesta se
analiz en una PC con un software EG&G Princenton Aplied
Research, Electrochemestry PowerSuite figura2.6. Como electrolito
se utiliz una solucin 0.5M H2SO4 (Merck, p.a.), preparada con agua
destilada. Antes de comenzar los experimentos electroqumicos, la
solucin electroltica fue desoxigenada con argn para la activacin
del electrodo de trabajo y posteriormente, saturada con oxgeno
durante 20 minutos para las pruebas en EDR.
Figura 2.6 PC y Potenciostato/GalvanostatoPrevio a los estudios
con de voltametria lineal se llev a cabo una etapa de activacin
electroqumica de la superficie del electrodo de trabajo a travs de
sucesivas perturbaciones con voltamperometrias cclicas. Este
proceso de reduccin-oxidacin es para eliminar impurezas, oxgeno
absorbido y capas de xidos, con el fin de aumentar las propiedades
electrocatalticas de los materiales. Se llevaron a cabo barridos
cclicos, en una ventana de potencial de 0 a 1.7 V/ENH. Se aplicaron
40 ciclos a una velocidad de 100 mV seg-1. Los experimentos de
disco rotatorio se desarrollaron a velocidades de rotacin de 100,
200, 400, 900, 1600 y 2500 rpm, a una velocidad de barrido de 5 mV
seg-1, utilizando la tcnica de voltamperometra lineal. VOLTAMETRA
CCLICA (VC) La tcnica de voltamperometra cclica se llevo a cabo
desoxigenando el electrolito durante 15 minutos con argn, se
aplicaron perturbaciones cclicas para activar electroqumicamente el
electrodo de trabajo para eliminar impurezas y oxgeno adsorbido
sobre su superficie.El tiempo de purga del equipo fue de 15
segundos y las velocidades de barrido fueron de 100 mVs-1y 50
mVs-1. Se dej al sistema alcanzar un potencial a circuito abierto
estable y se realizaron 10 y 2 barridos cclicos respectiva mente en
un rango de potencial de 0 a 1.7 V/ENH. ELECTRODO DE DISCO
ROTATORIOLos experimentos se llevaron a cabo en una solucin 0.5M de
H2SO4 como electrolito, se desoxigen con argn por 10 minutos a 50
mV s-1 en un rango de 0.0 V hasta 1.2 V a 25C. Todas las muestras
fueron preparadas a las mismas condiciones.Una vez terminado el
proceso de Voltamperometra cclica y almacenados los datos
obtenidos, se cambia el gas por oxgeno, para controlar el flujo se
lleva a cabo una purga del mismo y se cambian los parmetros del
potenciostato para emplear la tcnica de Voltametria lineal para la
cual se sigue este procedimiento:1) Se burbujea el oxgeno durante
10 min para saturar la solucin electroltica, hasta que el valor del
potencial a circuito abierto alcance un valor estable.2) Utilizando
el software se da la nueva tcnica de voltamperometra lineal,
manejndose una velocidad de barrido de 5 mV s-1, en un intervalo de
potencial que va desde el potencial a circuito abierto alcanzado
por el sistema hasta 0.2 V (ENH), Figura2.6, los potenciales de
esta figura estn referidos al electrodo de sulfatos.3) El sistema
se corre a diferentes velocidades de rotacin. Se trabajo con 6
velocidades; 100, 200,400, 900, 1600 y 2500 rpm. Iniciando del
valor mayor al menor.4) En cada experimento se da un burbujeo de
oxgeno hasta alcanzar un potencial a circuito abierto constante
para las diferentes velocidades y es retirado antes de que inicie
el experimento, se mantiene el flujo de oxgeno sobre la superficie
de la solucin para garantizar la saturacin de oxgeno dentro del
sistema, sumergindolo en el electrolito nuevamente para el
siguiente experimento a otra velocidad de rotacin.
Figura 2.7 Tcnica Voltamperometria lineal.5) Una vez que se
termino el experimento, el potenciostato-galvanostato se apaga,
para desmontar el equipo y se limpia el rea de trabajoDe los datos
y graficas obtenidas a travs del software NOVA se observa que el
Pt-ETEK exhibe los mejores resultados en cuanto a capacidad y
rendimiento en la reaccin de reduccin de oxigeno debido a que es un
catalizador comercial y que ya esta comprobada su eficiencia en
celdas de combustible. En cuanto a la M46 se obtuvieron buenos
resultados, ya que arrojo un potencial a circuito abierto de 0.28V
el cual es muy cercano al que presenta el Pt-ETEK, adems analizando
la voltametria lineal se observa que presenta un buen
comportamiento en la parte cinetica y difusional, lo cual indica
que el catalizador, (que esta compuesto por Pt/C) tiene gran
capacidad para adsorber molculas de O2, para que consecutivamente
se reduzcan a H2O. Para analizar los resultados de las tcnicas
electroqumicas aplicadas se realizaron clculos con la ayuda del
software KaleidaGraph. Se obtuvieron las pendientes de
Koutecky-Levich graficando el inverso del flux difusional (1/jL) vs
la velocidad de rotacin elevada a la -1/2 (w-1/2) y aplicando una
regresin para linealizar las curvas, dicho valor de pendiente se
pretende que este dentro del orden de 10 y 14 de pendiente.
Subsiguientemente se calcula el promedio de la pendiente de
Koutecky-Levich para poder calcular el flux de corriente en la
parte difusional (jL) para cada velocidad de rotacin del EDR. Para
el calculo del flux de corriente en la parte cinetica se calcula
con la siguiente ecuacin:
Con dicha ecuacin se obtiene jK a cada velocidad de rotacin, por
lo cual se tiene que calcular un promedio para obtener un flux
total (jKtotal). Con los datos de voltaje y jKtotal se grafican y
se obtiene la grafica de Tafel parcial, la cual se busca que tenga
pendiente dentro del rango de -29 a -36 aproximadamente. Despues de
obtenida la Tafel parcial se prosigue a obtener la pendiente de
Tafel con la siguiente ecuacin:
Posteriormente se calcula el coeficiente de transferencia :
Y por ultimo la corriente de intercambio io:
OBSERVACIONES TECNICAS Durante las practicas realizadas en el
laboratorio de electroqumica se pudieron realizar las siguientes
observaciones:
La RRO se realiza de manera mas eficiente cuando la celda de
combustible se opera a temperaturas cercanas a los 80C, sin embargo
una vez superada dicha temperatura baja el desempeo debido a la
degradacin de la membrana Nafion.
El aumento de la presin de operacin hasta 5kg/cm2 en una celda
de combustible mejora el desempeo, sin embargo no es recomendable
superar dicha presin.
La membrana Nafion 112 resulta la membrana de mayor eficiencia
respecto 115 y 117.
Los catalizadores a base de Fe son muy inestables en comparacin
con compuestos de Pt.
Es de gran importancia la interpretacin de las graficas
obtenidas para poder saber cuando un catalizador no tendr buen
desempeo en la RRO, esto con las curvaturas en el barrido
catdico.
En compuestos como el Au y Ag se facilita la produccin de
perxidos lo cual es negativo para la celda de combustible debido a
que el perxido daa los componentes de la celda, con lo cual a largo
plazo se tendra que destituir de la misma.
RECOMENDACIONES TCNICAS
Es de gran importancia el burbujeo de oxigeno ya que de no ser
por un lapso minimo de cinco minutos, la medicin se puede ver
afectada y por tanto no seria una respuesta concisa del catalizador
sino de un factor externo.
Emplear las celdas de combustible en condiciones de operacin
cercanas a 80C y 4kg/cm2 de ser posible ya que a esas condiciones
presentan su mayor eficiencia.
Utilizar compuestos con la mnima cantidad de Pt, ya que esta
comprobado que es el catalizador por excelencia, aunque tiene un
costo mas elevado respecto otros metales.
Buscar materiales que se asemejen al Pt en cuanto rendimiento
para la RRO o bien que produzcan un efecto lo mas cercano
posible.
Utilizar tcnicas de sntesis que produzcan lo menores tamaos de
partcula posible (del orden de 5M) ya que de esta manera se
homogeniza la tinta fcilmente.
Buscar industrializar las celdas de combustible incentivando
empresas para su uso, por ejemplo en las plantas productoras de
HCl, en las cuales su principal subproducto es H2, el cual
lamentablemente termina siendo emitido a la atmosfera
BIBLIOGRAFA.
BARBIR Frano (2005) PEM: Theory and Practice, Elsevier Academic
Press, primera edicin Estados Unidos de America.BARD Allen J. Et al
(2001) Electrochemical methods Fundamental and Applications, John
Wiley and Sons Inc., segunda edicin, Estados Unidos de
America.GONZALEZ Huerta Rosa de Guadalupe (2005) Sntesis y estudio
electrocataltico de compuestos de rutenio para su aplicacin en una
celda de combustible con membrana de intercambio protnico, Tesis
doctoral, CINVESTAV, Mxico D.F.GONZALEZ Huerta Rosa de Guadalupe Et
al (2009) Hidrgeno: Introduccin a la energa limpia Universidad
Autnoma de la Ciudad de Mxico primera edicin Mxico.