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: rocanlover_89@hotmail.com

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.

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