Estudio fisicoquímico y electroquímico de biocarbones y óxidos de cerio-níquel para el diseño de electrodos para la oxidación de urea

Abstract

El presente trabajo reporta la síntesis, caracterización fisicoquímica y electroquímica tanto de biocarbones a partir de residuos orgánicos de nopal (Opuntia Leucotricha), desechos de café (Coffea arabica) y hueso de mango Ataulfo (Mangifera indica) que se prepararon mediante la pirólisis a tres temperaturas, 600 °C, 750 °C y 900 °C, en dos atmósferas, N2 y H2. Así como partículas de cerio níquel sintetizadas por micro emulsión inversa de nitratos de cerio y níquel, variando la cantidad de níquel en un 3 %, 6 %, 9 %, y 12 %. Se espera que las partículas sintetizadas sean electroactivas para la reacción de oxidación de urea, mientras que los biocarbones pirolizados en la primer parte del presente trabajo serán utilizados como soportes de electrocatalizadores, como alternativa al negro de carbono, llamado comercialmente Vulcan® XC 72. Tanto los biocarbones como las partículas sintetizados se caracterizaron mediante espectroscopía Raman y microscopía electrónica de barrido (SEM) para obtener información sobre su estructura química, tamaño y naturaleza morfológica respectivamente, en función de la temperatura y la atmósfera de pirólisis. Para evaluar el área superficial específica (SSA) se llevó a cabo una técnica de adsorción/desorción de N2, la conductividad eléctrica se calculó a través de mediciones de conductividad de dos puntos. Por último, se realizaron voltamperometrías cíclicas (CV) para la evaluación de la actividad catalítica y la capacitancia de doble capa. Los resultados indicaron que el biocarbón de mango demostró las propiedades más altas entre todos los biocarbones, como una conductividad eléctrica de 8.3 S/cm-1 a 900 °C en N2, una superficie específica de 829 m2/g a 600 °C en H2 y una capacitancia de ~300 mF/g a 900 °C en N2. Los biocarbones de nopal y café exhibieron excelentes superficies específicas, hasta 767 m2/g a 600 °C en N2 y 699 m2/g a 750 °C en H2, respectivamente; no obstante, su conductividad eléctrica y capacitancia eran limitadas. Podemos observar, que las muestras con un 3 % de níquel parecen tener mejor comportamiento catalítico, por lo que se decidió utilizarlas para realizar la prueba de viabilidad, dichas pruebas revelaron que los materiales sintetizados fueron catalíticamente activos para la oxidación de urea en concentración 0.1 M en un medio de KOH 1 M, usando las partículas de Cerio con una concentración de Níquel al 3% como catalizador y los biocarbones de nopal y mango pirolizados en atmósfera de hidrógeno a 600° C.