Reactividad electroquímica de nanoestructuras de cobre : nanohilos vs nanocubos para la reducción de dióxido de carbono
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Date
2020
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Abstract
En el presente trabajo se exponen los resultados para la síntesis y caracterización de electrodos de cobre policristalinos de mediana (DHP) y alta pureza del metal respectivamente estos fueron testeados in situ para su aplicación en electrocatálisis. Estos electrodos se basan en la combinación de propiedades conductoras y electrocatalíticas excepcionales. Los electrodos son de cobre modificados in situ con nanoestructuras del tipo nanocubos de cobre (CuCube) y nanohilos de cobre (CuNw) para su aplicación en electrocatálisis en la reducción de CO2. Se ha demostrado que las superficies nanoestructuradas mejoran la actividad y la selectividad de muchos catalizadores, y además que en este caso poseen una orientación cristalográfica preferente, hace que incremente la actividad catalítica y conjuntamente, la formación de un determinado producto de reacción que depende exclusivamente de la orientación cristalográfica de la superficie metálica. En este trabajo de tesis se presentan dos superficies de cobre nanoestructuradas de alta selectividad y de bajo costo con una orientación cristalográfica preferente para la formación de metano y etileno a partir de la reducción de CO2. La preparación in situ de los electrodos de Cu nanoestructurados, se realizó utilizando tres metodologías experimentales. Primero, para la formación de CuCube, se electropulió la superficie de cobre y luego se añadió KCl al electrolito soporte KHCO3 y realizó una voltametría cíclica al electrodo entre potenciales de -1,15 y +0,9 V vs Ag/AgCl hasta que se alcanzó un voltamograma estable. Se caracterizó en KHCO3 0,1 M (pH 6,8). En segundo lugar, los CuNW se obtuvieron a través de dos síntesis. Síntesis 1; se electropulió la superficie de cobre y luego se sumergió en un baño de NaOH y persulfato de potasio, después se redujó electroquímicamente en el electrólito soporte KHCO3. Síntesis 2; se formaron películas de sílice microporosas, las cuales se depositaron bajo condiciones potenciostáticas en el sustrato de cobre a partir de una solución precursora (TEOS, etanol, NaNO3, HCl y CTAB). El electrodo se sumergió en esta solución precursora y se consiguió un electrodepósito en condiciones de reposo mediante la aplicación de un potencial de reducción, durante un período de tiempo, se caracterizó en el electrolito soporte. Estos electrodos fueron caracterizados electroquímicamente mediante voltametría cíclica y voltametría de barrido lineal (curvas de pseudo polarización). La morfología superficial se caracterizó mediante microscopía de sonda de barrido (AFM) y microscopía electrónica de barrido (FE-SEM), además se utilizó difracción de rayos X (XRD). Para estudiar los productos de reacción se realizó electrolisis a potencial controlado. Los productos gaseosos se determinaron mediante Cromatografía de Gases (GC). Los análisis de productos acuosos se llevaron a cabo utilizando espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear, RMN (1H). Se estudió la actividad electrocatalítica de estos electrodos de Cu mediante voltametría de barrido lineal a bajas velocidades de barrido, en un régimen pseudo - estacionario. Además, se estudió sobre electrodos de Cu un nuevo set up de detección de productos gaseosos y/o volátiles, donde se acopló un análisis de inyección por flujo (FIA) y espectrometría de masas diferencial electroquímico (DEMS) para determinar in situ diferentes productos que se generan en la reacción de reducción de CO2. Este estudio demostró que la formación de nanoestructuras con una orientación cristalina preferente (111) para nanohilos y (100) para las estructuras cúbicas sobre una superficie de cobre es altamente selectiva frente a la reducción de CO2, para productos con uno o dos carbonos (C1 y C2) en su estructura respectivamente. Las nanoestructuras tipo Hilo con orientación (111) redujeron CO2 a hidrocarburos con C1 y las estructuras cúbicas de 400 y 300 nm redujeron CO2 a C2, ya que la capacidad de las nanoestructuras y su orientación cristalina favorece fuertemente la formación de productos de este tipo y además que es un paso importante para el desarrollo de un catalizador económico y que fueron exclusivamente selectivo para la formación de un producto de reacción que ayude a transformar este contaminante.
Description
Tesis (Doctor en Química)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2020