Graphene oxide solution processing strategies for innovative fuel cell technology components

Resumen

Las tecnologías basadas en hidrógeno están experimentando un crecimiento muy rápido debido a las decisiones gubernamentales más recientes de los países desarrollados, las cuales están centradas en la reducción de emisiones globales de dióxido de carbono. Esta Tesis está dirigida a la aplicación de materiales basados en grafeno a la tecnología de pilas de combustible con membrana de intercambio protónico (PEMFC). La investigación llevada a cabo contribuye a avanzar en el desarrollo de dos de los componentes de dichos sistemas: los colectores de corriente y la membrana electrolito. Con respecto a los colectores de corriente, se han desarrollado capas anticorrosión empleando rejillas de cobre como sustrato metálico, lo que conlleva un coste de materiales y fabricación mucho menor que el de las opciones actuales. El segundo es la aplicación de láminas de óxido de grafeno como alternativa a las ampliamente usadas membranas de Nafion. Ambos estudios están basados en el método de procesado en solución de óxido de grafeno para el desarrollo de soluciones más competitivas para esta tecnología, y su aplicación a gran escala. La Memoria está organizada en cinco capítulos. El primero presenta una visión global del estado del arte del grafeno aplicado a la tecnología PEMFC. El segundo analiza en detalle el proceso espontáneo de auto-ensamblado del óxido de grafeno en suspensión inducido por metales oxidables, como fundamento de la síntesis de recubrimientos continuos de óxido de grafeno reducido sobre sustratos de cobre. Se han evaluado varios parámetros de la síntesis han sido evaluados para esclarecer su mecanismo de formación. Adicionalmente, se ha observado el crecimiento de láminas auto-soportadas en las aberturas de sustratos tipo rejilla. La caracterización detallada de esas láminas, que son una extensión de las capas de grafeno reducido formadas sobre el substrato, nos aporta una información interesante sobre su estructura. Basándonos en este conocimiento, en el capítulo 3 se ha desarrollado un procedimiento de síntesis de recubrimientos anticorrosivos que ha sido optimizado para colectores de corriente de pilas de combustible tipo PEM. Las muestras de cobre recubiertas han sido caracterizadas y evaluadas inicialmente en una celda de corrosión de 3 electrodos, empleando un medio ácido como electrolito para simular las condiciones de operación de una pila PEM. El recubrimiento optimizado ha sido utilizado para preparar colectores de corriente ensayados en condiciones reales en una pila como prueba de concepto. Este procedimiento de síntesis ha sido protegido mediante una patente presentada en junio del 2021. El desarrollo de un recubrimiento protector contra la corrosión mediante una técnica sencilla de procesado en solución no es sólo interesante para la tecnología de pilas PEM, sino para muchas otras aplicaciones que requieran protección para metales conductores en medio corrosivo.