Síntesis y caracterización de carbón mesoporoso y su aplicación al almacenaje y conversión
de energía
Gonzalo Montiel1; Graciela Abuin1; Mariano M. Bruno2, Federico A. Viva2
1INTI - Procesos Superficiales, 2CNEA –Dto. Física de la Materia Condensada
gmontiel@inti.gob.ar
INTRODUCCIÓN
Los materiales carbonosos cumplen un rol
fundamental en los sistemas electroquímicos
de almacenaje y conversión de energía. La
función principal del carbón, en sus diferentes
estructuras, es conducir y distribuir cargas de
forma eficiente a través de electrodos
compuestos y en diversas aplicaciones
electroquímicas. Los caminos de conducción
electrónica promovidos por la estructura del
carbón son determinantes para lograr
condiciones óptimas de distribución y
extracción de corriente de los dispositivos.
OBJETIVO
El objetivo de este trabajo es estudiar la
influencia de los mecanismos de síntesis sobre
las propiedades estructurales de los materiales
de carbón con el objetivo de estabilizar y
aumentar la eficiencia de los procesos
electroquímicos en los cuales se encuentran
involucrados.
DESCRIPCIÓN
Se sintetizó carbón mesoporoso (CM) a partir
de la polimerización de resorcinol y
formaldehído (RF), utilizando SiO2 comercial en
polvo (Aerosil®) como agente nanoestructurante
(nanomoldeo duro). El producto de la síntesis
se carbonizó en atmósfera de N2 hasta 1000 ºC
y se lavó con NaOH para eliminar el agente de
molde.
En primera instancia se estudió la variación de
las propiedades del CM en función del
contenido de Aerosil®; las dos variantes
utilizadas fueron Aerosil 200® y Aerosil 300®.
Tabla 1: Condiciones de síntesis de carbón
mesoporoso.
g de Aerosil /
g de carbón
Aerosil 200
(200 m2/g)
Aerosil 300
(300 m2/g)
0,25 Síntesis 1 Síntesis 8
0,50 Síntesis 3 Síntesis 9
1,00 Síntesis 4 -------------
1,50 Síntesis 5 -------------
Se determinó el área superficial BET, la
distribución de tamaño de poro aplicando el
modelo BHJ (curva de desorción) y el volumen
total de poros utilizando un equipo de
porosimetría de fisisorción.
Para evaluar el desempeño en una aplicación
electroquímica, el CM “Síntesis 4” se utilizó en
una celda PEM como soporte de un catalizador
anódico PtRu 60 % p/p. Como catalizador
catódico se utilizó Pt 60 % p/p sobre carbón
Vulcan® comercial.
Se determinó la superficie electroquímica activa
del catalizador (electrochemical active surface
area - ECSA) mediante adsorción / desorción
electroquímica de CO (“stripping”) y se
utilizaron curvas de polarización para
determinar la potencia máxima de la celda
alimentada con combustible CH3OH 1 M e H2.
En ambos casos se utilizó 02 de alta pureza en
el cátodo [1].
RESULTADOS
En la Figura 1 se observan las isotermas de
adsorción y desorción de N2 que se utilizaron
para calcular el área BET.
En la Figura 2 se observan las curvas de
dependencia de área BET, volumen total de
poros y volumen de microporos en función de
la proporción de agente nanoestructurante
utilizado.
El volumen total de poros de los CM que fueron
sintetizados a partir de Aersoil 200® alcanzó un
máximo de 1,40 cm3/g, mientras que al trabajar
con Aerosil 300® el volumen total de poros
máximo se alcanza a menores proporciones de
agente nanoestructurante.
El volumen asignado a microporos se mantiene
por debajo a 0,3 cm3/g en todos los casos, es
decir, la distribución del volumen de poros esta
focalizada en la zona de mesoporos.
La aplicación del modelo BHJ (curva de
desorción) permite determinar la distribución
del tamaño de poro en la superficie del material
(Figura 3). La ECSA del catalizador PtRu 60%
p/p soportado en CM “Síntesis 4” es 26,80 m2/g
(Figura 4).

Figura 1: Isotermas de adsorción/desorción de N2 de
los CM sintetizados.
Figura 2: Área BET, volumen total de poros y
microporos de los CM en función a la proporción y tipo
de agente nanoestructurante utilizado.
Figura 3: Se muestran las diferentes distribuciones de
poro, todos los materiales tienen mesoporos, algunos
CM tiene distribución monomodal y otros bimodal.
Con este catalizador como material anódico, a
una temperatura de 90ºC, utilizando diferentes
combustibles y O2 en cátodo, se obtuvieron
valores máximos de potencia de 30 mW/cm2
(CH3OH 1 M) y 470 mW/cm2 (H2), ver Figura 5.
Figura 4: Voltagrama adsorción desorción
electroquímica de CO (“stripping”).
Figura 5: Curvas de potencia de celda PEM a 90ºC
alimentada con H2 y CH3OH 1 M en el ánodo y O2 en el
cátodo.
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
La polimerización controlada de RF combinada
con agentes de nanomoldeo duro permitió
obtener carbones de porosidad orientada con
una distribución de poros ubicada en la región
de 2 a 60 nm (mesoporosidad).
El desempeño electroquímico de un CM
sintetizado por el método de nanomoldeo duro
y utilizado como soporte de catalizadores de
PtRu para celdas PEM fue del 50% respecto a
otros CM sintetizados por mecanismo de
nanomoldeo blando [2]. Este fue el primer
catalizador sintetizado con agentes de
nanomoldeo duro de Si02 comercial. En
trabajos futuros se estudiará la influencia del
agente nanoestructurante y sus proporciones
en el desempeño electroquímico del CM para
ésta y otras aplicaciones.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Viva, F.A.; Bruno, M. M.; Jobbágy, M.; Corti,
H.R. J. Phys. Chem.(2012).
[2] M. M. Bruno, M. A. Petruccelli, F. A. Viva,
H.R. Corti.International Journal of Hydrogen
Energy. Vol. 389 (2013).