Interfacial studies of Pt and Cu single-crystal electrodes modified by transition metal deposition

Resumen

El estudio de las propiedades interfaciales electrodo-disolución presenta una gran importancia para la síntesis y diseño de materiales que permitan llevar a cabo de manera eficiente reacciones de interés en sistemas de conversión y almacenamiento de energía. Entre estas reacciones se pueden destacar la reacción de evolución de hidrógeno o la reducción de CO2 entre otras.1,2 Se ha visto que la presencia de Ni sobre electrodos de platino mejoran notablemente la catálisis de la evolución de hidrógeno y que el cobre es el único metal puro capaz de catalizar de la reducción de CO2 más allá de CO para producir compuestos químicos de interés.3-6 Por esta razón, en esta tesis se realizan diversos estudios interfaciales sobre superficies bien definidas de Cu y Pt modificado con adátomos de metales d (Ni, Co y Fe). Por otro lado, debido a la necesidad de comprender el funcionamiento de los catalizadores en sistemas reales, se empleó la técnica conocida como “Bragg Coherent X-ray Diffraction Imaging” (BCDI) para estudiar la evolución de nanopartículas de oro de 60 nm en condiciones operando. Desarrollo teórico Los estudios de caracterización interfacial se llevaron a cabo mediante las técnicas de voltametría cíclica, desplazamiento de carga con CO y espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier. De esta manera se obtuvo información sobre la identidad y orientación de las especies adsorbidas sobre las superficies a diferentes potenciales, así como las geometrías de adsorción preferencial. Además, también se obtuvo el recubrimiento de adátomo en superficies de platino bien definidas. Por otro lado, la técnica de salto de temperatura inducido por laser permitió estudiar la orientación de las moléculas de disolvente en la interfase electrodo-disolución de forma indirecta al proporcionar información sobre el campo eléctrico interfacial. Los resultados mostraron la formación de hidróxidos de los metales d adosrbidos sobre las superficies de platino. Se observó que la presencia de estos hidróxidos desplaza el potencial de carga cero hacia potenciales menos positivos, ya que disminuye el campo eléctrico negativo de la superficie del electrodo. Además, este desplazamiento de potencial de carga cero era mayor al aumentar el recubrimiento de adátomo. Los estudios reflejaron una relación entre la mejora de la actividad catalítica de la reacción de evolución de hidrógeno con la disminución del campo eléctrico negativo interfacial. En base a esta observación se propuso el campo eléctrico interfacial como uno de los descriptores que afectan a la reacción de evolución de hidrógeno. Esta idea se basó en que en medio ácido el potencial de carga libre cero está cerca del potencial de equilibrio de la reacción de evolución de hidrógeno. Por lo tanto, justo en esta región el agua interfacial da lugar a una estructura menos rígida que facilita la transferencia de carga a través de la doble capa, mejorando la actividad catalítica de esta reacción. La correlación de los potenciales de carga cero con las funciones de trabajo de las diferentes facetas de las superficies bien definidas obtenidas en otros trabajos, ponen de manifiesto la validez de estos estudios llevados a cabo mediante la técnica de salto de temperatura inducido por laser. Por otra parte, los experimentos de BCDI permitieron observar por primera vez nanopartículas de oro de 60 nm en condiciones operando. Conclusión En esta tesis se presentan diversos estudios interfaciales que han permitido conocer el recubrimiento de adátomos de metales sobre superficies de platino bien definidas. Además, se ha visto la importancia que presenta campo eléctrico interfacial en la estructura del disolvente en la interfase electrodo-disolución y con ello en la catálisis de la reacción de evolución de hidrógeno.