Electrocatalizadores libres de metales a base de óxido de grafeno dopado con boro y nitrógeno para la reacción de reducción de oxígeno

Abstract

Este trabajo presenta los resultados derivados del dopaje de óxido de grafeno (OG) y óxido de grafeno modificado (OG-M) con boro y nitrógeno, como una alternativa económica para cátodo de celdas de combustible. Se utilizó el ácido bórico y la urea, como precursor del heteroátomo para cada uno de los dopajes, empleando el método hidrotérmico y un tratamiento térmico. Para fines de estudio y comparación, el dopaje individual de boro y nitrógeno se analizó por separado, una vez que se establecieron las condiciones de síntesis, mismas que se ajustaron en función de la respuesta por evaluación electroquímica. Lo anterior permitió analizar 1) la relación másica de precursores, 2) la temperatura del tratamiento térmico y 3) la modificación de metodología de síntesis, con la implementación de una etapa de evaporación. La evaluación electroquímica de los materiales dopados se realizó en reacción de media celda para el estudio de la reacción de reducción de oxígeno (RRO). Los materiales dopados y con actividad catalítica superior para la RRO fueron caracterizados físicamente utilizando las técnicas; XPS, DRX y Raman. Como resultado revelaron la composición elemental, estructura cristalina y tipo de defectos, provocados por la incorporación de B y N en la estructura del material. Adicionalmente las micrografías obtenidas por microscopia SEM permitieron analizar el cambio en la morfología del material. Los resultados de XPS evidenciaron la presencia del B y N en la red del grafeno, que confirmó el éxito del dopaje con la metodología de síntesis modificada. Además, se encontró un cambio en el porcentaje de grupos de oxígeno del grafeno. Esto afirmó que el tratamiento hidrotérmico promueve la reducción parcial del OG, y que se incrementa con el tratamiento térmico. La evaluación electroquímica en VC y EDR demostraron que la reducción del OG y dopaje favorecieron la respuesta catalítica de la RRO.