Electrodos de Pastas de Materiales Carbonosos Aglutinados con Líquidos Iónicos Modificados con Nanosompositos de Polianilina/Óxidos de Metales de Transición: Actividad Electro y Fotoelectrocatalítica Hacia la Producción de Hidrógeno y Reducción de Oxígeno

Abstract

Desde el punto de vista energético, el estudio de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) y la reacción de evolución de hidrógeno (HER) cobra gran relevancia e interés por su uso en dispositivos generadores de energía limpia, como lo son, por ejemplo, las celdas de combustible. Uno de los catalizadores más eficientes, en términos del sobrepotencial utilizado para llevar a cabo estas reacciones, es el platino, sin embargo, su escases y alto costo de obtención hacen necesaria la búsqueda de nuevos materiales que sean abundantes, baratos y con gran actividad catalítica. En este estudio, se exploró el desarrollo de electrocatalizadores eficientes y de bajo costo para la producción de hidrógeno y reducción oxígeno. Se realizó el diseño y caracterización de electrodos de pasta de carbono aglutinados con el líquido iónico N-Octilpiridinio de hexafluorofosfato modificados con óxidos de metales de transición nanoestructurados (Fe₂O₃, Co₃O₄, CoFe₂O₄) y nanofibras de polianilina, mediante depósito superficial, así como incluidos dentro de la pasta. La caracterización de los materiales, mediante técnicas como FE-SEM, XRD, FT-IR y espectroscopía Raman, confirmó la formación de nanoestructuras con alta cristalinidad y una distribución homogénea en la matriz del electrodo. Los estudios electroquímicos revelaron que la incorporación de estos óxidos y la polianilina mejoran significativamente el rendimiento de los electrodos en distintos medios de reacción. El sistema α-Fe₂O₃/MWCNTs/IL destacó en la ORR en medio ácido, mientras que el CoFe₂O₄/MWCNTs/IL mostró la mayor actividad para la HER en medio neutro. Además, se realizó el estudio de la actividad fotoelectrocatalítica del sistema MWCNTs/IL/PANI-α-Fe₂O₃ para HER, observando un aumento de la corriente bajo irradiación, lo que sugiere su potencial para aplicaciones fotoelectroquímicas. En resumen, este trabajo ofrece una nueva perspectiva sobre el diseño de electrocatalizadores eficientes y rentables para HER y ORR, con aplicaciones potenciales en tecnologías de energía limpia.

Abstract (AI English translation)

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From an energetic perspective, the study of the oxygen reduction reaction (ORR) and the hydrogen evolution reaction (HER) is of great relevance and interest due to their use in clean energy generating devices, such as fuel cells. One of the most efficient catalysts, in terms of the overpotential used to carry out these reactions, is platinum; however, its scarcity and high cost of production necessitate the search for new materials that are abundant, inexpensive, and highly catalytic. This study explored the development of efficient and low-cost electrocatalysts for hydrogen production and oxygen reduction. The design and characterization of carbon paste electrodes bonded with the ionic liquid N-Octylpyridinium hexafluorophosphate modified with nanostructured transition metal oxides (Fe₂O₃, Co₃O₄, CoFe₂O₄) and polyaniline nanofibers were carried out, by surface deposition, as well as embedded within the paste. The characterization of the materials, using techniques such as FE-SEM, XRD, FT-IR and Raman spectroscopy, confirmed the formation of nanostructures with high crystallinity and a homogeneous distribution in the electrode matrix. Electrochemical studies revealed that the incorporation of these oxides and polyaniline significantly improves the performance of the electrodes in different reaction media. The α-Fe₂O₃/MWCNTs/IL system excelled in ORR in acidic media, whereas CoFe₂O₄/MWCNTs/IL showed the highest HER activity in neutral media. Furthermore, the photoelectrocatalytic activity of the MWCNTs/IL/PANI-α-Fe₂O₃ system for HER was studied, observing an increase in current under irradiation, suggesting its potential for photoelectrochemical applications. In summary, this work offers a new perspective on the design of efficient and cost-effective electrocatalysts for HER and ORR, with potential applications in clean energy technologies.