Electrosíntesi de peròxid d'hidrogen en una pila de combustible alcalina

Resumen

El peròxid dhidrogen és una substància amb una química molt variada, que pot actuar com a agent oxidant o reductor. Com a agent oxidant sutilitza, entre daltres aplicacions, en el tractament daigües residuals, en la manufactura de productes químics i en la indústria de la polpa i del paper. Daltra banda, és un agent ecològic, ja que en les seves reaccions només es produeix aigua i oxigen. En aquesta tesi es presenta un nou mètode delectrogeneració de peròxid dhidrogen fent ús duna pila de combustible alcalina amb dos elèctrodes porosos de difusió de gas. El procés no requereix electricitat. La cella consta dun únic compartiment i no utilitza cap membrana separadora, que introduiria una caiguda òhmica addicional. Lelectròlit consisteix en una dissolució aquosa de KOH. El sistema és molt versàtil: permet treballar a diferentes concentracions de lelectròlit, temperatures, pressions dels gasos de lalimentació i també per càrregues i en continu, tot i que és amb aquesta darrera modalitat on el sistema assoleix les seves prestacions òptimes. Això permet adaptar les condicions experimentals a les aplicacions concretes. El sistema que sha ideat es basa en la utilització delèctrodes de difusió, manufacturats al nostre laboratori i comercials, tant per a lhidrogen com per a loxigen. Aquests elèctrodes permeten lelectrosíntesi del peròxid dhidrogen alcalí a densitats de corrent interessants des dun punt de vista industrial (> 100 mA cm-2) i sha demostrat que leficiència de corrent del procés es troba entre el 90 i el 100 %. A més, hha desenvolupat un fonament teòric del funcionament de lAFC per tal de justificar el voltatge trobat experimentalment. Shan considerat aspectes bàsics com ara la cinètica de les reaccions electròdiques, mitjançant diferents tècniques electroquímiques, per comprendre el funcionament i el comportament dels elèctrodes a la pila. També sha fet ús de les tècniques de microscòpia electrònica descombratge (SEM), despectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS) i dinfraroig per transformada de Fourier (FTIR) per monitoritzar certs fenòmens associats al funcionament dels elèctrodes. Així mateix, sha emprat la tècnica de la porosimetria (BET) per tal de determinar làrea específica dalguns elèctrodes. Per a deteminar la idoneïtat del sistema i la seva capacitat de producció de H2O2, es va mesurar el peròxid dhidrogen produït mitjançant lanàlisi permanganomètrica estàndard. A més, es van enregistrar corbes voltatge-densitat de corrent sota diferentes condicions experimentals per a caracteritzar el comportament de la pila de combustible com a tal i els fenòmens que controlen el seu funcionament. Leficiència de corrent del procés es va determinar en funció de la resistència externa entre ambdós elèctrodes. Es va constatar que tant la cella de combustible com ambdós elèctrodes es comportaven de manera reversible sota certes condicions experimentals. El procés de reducció catòdic de loxigen a ió hidroperòxid en medi bàsic es va investigar amb la tècnica de voltamperimetria descombratge lineal (LSV) i amb la cronoamperimetria. Es va proposar un mecanisme de reacció consistent amb els resultats experimentals i es van determinar les energies dactivació aparents del procés de reducció de lO2 a HO2-. Daltra banda, aquest procés es va estudiar per espectroscòpia dimpedància electroquímica. Aquesta tècnica també es va utilitzar per a caracteritzar el procés de mullament del càtode als primers estadis de funcionament. Les tècniques espectroscòpiques dXPS i DRIFTS es van emprar per a posar de manifest la funcionalització del càtode com a conseqüència de la seva operació. La tècnica de SEM va revelar lestructura porosa de la superfície de lelèctrode. Quant el procés anòdic, la seva caracterització preliminar per LSV ha permès demostrar la seva complexitat i el fet que requereix una anàlisi més profunda, començant per lestudi dels processos dactivació.