Desarrollo de un ánodo electrocatalítico para electrólisis de agua de mar.

Abstract

Los desafíos de la electrólisis de agua de mar están asociados principalmente a la gran cantidad de elementos presentes que pueden dar lugar a distintas reacciones perjudiciales para los electrodos. Entre ellas, la reacción de oxidación del cloro (REC) es una de las más estudiadas debido a la alta concentración de NaCl que posee el agua de mar. La REC es una reacción parásita altamente corrosiva, por lo tanto, hasta la fecha el desarrollo de ánodos ha estado centrado en obtener materiales que eviten que esta reacción ocurra durante la electrólisis. Sin embargo, existen otras especies y microorganismos que se encuentran en el agua de mar, que podrían dañar el funcionamiento de los electrodos y que no han sido completamente abordados en la literatura. Como regla general, el ánodo requiere estabilidad, bajo costo, catalizar la reacción de evolución de oxígeno (REO) y adicionalmente ser selectivo de la REO para evitar otras reacciones parásitas. Todos estos parámetros son altamente dependientes del pH, por lo tanto, se realizó un análisis exhaustivo de las óptimas condiciones para realizar la electrólisis de agua de mar, y la influencia de otras especies iónicas en función del pH. Además, el análisis de la literatura desarrollado durante la tesis, evidenció diversas falencias asociadas a los parámetros empleados en la caracterización de los materiales. Para disminuir estas inexactitudes se proponen ciertas estandarizaciones según las condiciones de trabajo de los electrodos. Materiales anódicos en base a metales de transición 3d como los (hidro)óxidos de Fe, Ni, Mn, Co han sido ampliamente investigados para uso en electrólisis de agua, ya que han demostrado poseer alta estabilidad y bajo sobrepotencial de la REO. Similarmente, en la electrólisis de agua de mar alcalina han alcanzado un gran desempeño en términos de sobrepotencial, estabilidad y selectividad. En particular, los hidróxidos de doble capa (LDH) de Ni-Fe han logrado bajos potenciales de la REO, entre 1.45 – 1.6 V (RHE) a 10 mA/cm2 , y una selectividad de la REO entre el 88 - 100 %. Por otro lado, los ánodos en base a Mn han alcanzado potenciales de la REO entre 1.4-1.7 V(NHE) a 10 mA/cm2 y una selectividad entre el 94-100% a pH alcalino. Durante el desarrollo de estos materiales también se han incluido elementos dopantes, como el Mo, Sn y Ni, entre otros, para potenciar sus propiedades electrocatalíticas. Sin embargo, la obtención de estos ánodos se ha realizado mediante el proceso solvotermal, electrodepósito anódico, depósito en fase vapor y variaciones de ellos, que requieren numerosos reactivos, equipos y varios pasos de producción. Tomando en consideración la información encontrada en la literatura, en la etapa de estudios preliminares se obtuvieron electrodos de base Mn-Fe-Mo y Fe-Mn Mo mediante pulvimetalurgia. Se demostró que los electrodos obtenidos con fase Fe gamma, presentaron prometedores resultados en relación a selectividad, sobrepotencial de la REO y cinética de los electrodos. El mejor resultado fue alcanzado por el electrodo 60Fe39.5Mn0.5Mo, que presentó un potencial de la REO de 1.68 V vs RHE, una pendiente de Tafel de 48 mV/dec y una selectividad del 99.91%. Posteriormente, con la información adquirida en los estudios preliminares que dieron cuenta de altas propiedades electrocatalíticas con la formación de la fase gamma, se obtuvieron electrodos en base a Fe-Mn-Ni. La adición de Ni potencia la formación de la fase gamma y además es un elemento conocido por poseer una gran capacidad electrocatalítica de la REO. Así, los electrodos 60Fe40Ni y 15Fe15Mn70Ni lograron disminuir el potencial de la REO a 1.6 V vs. RHE con alta selectividad y pendientes de Tafel de 45 mV/dec y 53 mV/dec, respectivamente. Luego, con la finalidad de obtener una mejora de las propiedades electrocatalíticas de los electrodos Fe-Mn-Ni, fueron dopados con Co y/o Sn; sin embargo, no se obtuvo una mejora significativa en las propiedades. Por lo tanto, en la etapa final de testeo de los electrodos en agua de mar natural y en agua de mar simulada con adición de Mg y Ca, se utilizaron los electrodos sin dopar, es decir 60Fe40Ni y 15Fe15Mn70Ni. En este análisis se determinó que el Ca tiene un efecto negativo preponderante en los electrodos, a diferencia de la adición de Mg que no varió ampliamente el sobrepotencial de la REO. Se logró obtener un ánodo base Fe-Mn-Ni con características promisorias para ser utilizado en agua de mar utilizando la técnica de pulvimetalurgia y se comprobó la importancia de estudiar la influencia de distintos iones en el desempeño de los ánodos. Para lograr avances en el desarrollo de materiales con propiedades óptimas para ser utilizados en electrólisis de agua de mar, se requiere una estandarización del tratamiento del agua de mar alcalina. Además, se requiere una caracterización en profundidad de la composición del agua de mar alcalina utilizada durante el proceso, con el fin de determinar los límites máximos de iones presentes que no degraden el funcionamiento de los ánodos.