Estudio teórico-práctico de la célula de combustible. Caracterización eléctrica y mejoras en la gestión del agua a partir de nuevos materiales.

Uno de los principales retos de la sociedad actual es la evolución de sectores como el energético y el de la automoción a un modelo sostenible, responsable con el medio ambiente y con la salud de los ciudadanos. Una de las posibles alternativas, es la célula de combustible de hidrógeno, que transforma la energía química del combustible (hidrógeno) en corriente continua de forma limpia y eficiente. De entre todos los tipos de célula, gana especial relevancia la célula de membrana polimérica (PEM), que por sus características de peso, temperatura de trabajo y simplicidad; se presenta como una gran alternativa para el sector de la automoción entre otros. Por ello, el objetivo de este trabajo es ahondar en el conocimiento de la célula de combustible PEM. Se estudiarán los fundamentos teóricos que permitan comprender su funcionamiento, el papel de cada uno de los elementos de la célula y cómo varían sus características el funcionamiento general de la misma. También se estudiará la caracterización eléctrica, por su papel crucial en la evaluación del desempeño de la célula y para la comparación de modificaciones introducidas en ella. Además, se realizará una aplicación práctica en colaboración con los proyectos de fin de máster y doctorado de otros estudiantes del Politécnico de Milán, para implementar las técnicas aprendidas de caracterización eléctrica en una célula trabajando con diferentes tipos de láminas de difusión gaseosa (GDL y GDM) preparadas por estudiantes. Los resultados de la caracterización, permitirán analizar las virtudes de dos modificaciones en la composición clásica de la célula, con el fin de mejorar la gestión del agua que se produce en la zona catódica durante la reacción, disminuyendo los problemas de difusión a altas densidades de corriente y la consiguiente pérdida de potencial en la célula. Las dos modificaciones son: la inclusión de una lámina de difusión microporosa (MPL) a la lámina macroporosa habitual (GDL), y el uso de diversos polímeros con mejores propiedades hidrófobas en el tratamiento de dichas láminas de difusión. La célula de combustible es un sistema de conversión de energía electroquímico, en el que se trasforma de forma directa, energía química en energía eléctrica de corriente continua. En el catalizador de platino del ánodo se produce la descomposición de los átomos de hidrógeno. Los protones resultantes viajarán a través de la membrana de conducción protónica (que hace las veces de electrolito y supone el alma de la célula PEM) hasta el cátodo. Los electrones, en cambio, alcanzarán el cátodo a través de un circuito externo produciendo trabajo. Una vez ambas especies se encuentran en el cátodo, y junto con el oxígeno que sirve como oxidante, se completa la reacción, produciéndose agua. El estudio termodinámico de la reacción que se produce en la célula nos permite calcular el trabajo eléctrico teórico producido por el movimiento de cargas a través del circuito externo, y con él, una expresión del potencial teórico que presentará la célula, que variará con la temperatura y la presión; Para una temperatura de 25°C, este potencial teórico es de 1.23 V, sin embargo, el potencial de la célula en funcionamiento nunca presenta este valor. El alejamiento del comportamiento teórico se debe, principalmente, a tres tipos de pérdidas bien diferenciadas:  Pérdidas de activación: El potencial teórico representa la tensión de equilibrio, para la que no se produce un intercambio neto de corriente. Por tanto, la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo debe alejarse del valor teórico para obtener una corriente neta a través del circuito externo. Esta diferencia con el potencial teórico se denomina polarización de activación, y conlleva una pérdida de tensión en la célula. Así pues estas pérdidas tienen su origen en la cinética de la reacción electroquímica.  Pérdidas óhmicas: Es una suma de las resistencias eléctricas en los elementos conductores, la resistencia en la membrana electrolítica a la conducción iónica y las resistencias de contacto.  Pérdidas por concentración: Estas pérdidas se producen cuando los gases reactivos en el área activa son consumidos en un tiempo menor del necesario para ser repuestos. Este fenómeno es crítico a altas densidades de corriente, cuando los gases reactivos son consumidos con gran velocidad, por lo que el descenso de concentración de reactivos en los electrodos puede provocar una caída súbita de la tensión de la célula. La densidad de corriente para la cual se produce esta caída de potencial en unas condiciones determinadas se denomina densidad límite de corriente. Así pues, estas pérdidas tienen su origen en los límites de difusión de las especies reactivas a través de la célula. Además de la membrana electrolítica y el catalizador, en la célula de combustible podemos encontrar como principales componentes los platos bipolares, encargados de conectar la célula eléctricamente con el exterior y de introducir los gases reactivos a través de sus conductos; y las láminas difusivas, que conectan eléctricamente el catalizador con los platos bipolares y sirven para distribuir los gases reactivos de forma que lleguen a todo el área activa, y para evacuar el exceso de agua que se acumula en el área activa.La lámina difusiva, más conocida como GDL, será el argumento principal de nuestro estudio. Está conformada por un tejido de fibra de carbono macroporosa, que asegure el contacto eléctrico entre el catalizador y el plato bipolar, y es tratada con polímeros para proporcionarle propiedades hidrófobas que le ayuden en la evacuación de agua. La evacuación del agua es tan importante, especialmente en el cátodo, porque de lo contrario, la cantidad de agua generada por la reacción electroquímica, sumada a la humedad que portan los gases, puede provocar inundaciones en la zona activa del electrodo. Debido a las inundaciones, el agua obstruye los poros del GDL, dificultando la difusión de especies gaseosas y aumentando las pérdidas por concentración. Por otra parte, si demasiada agua se evacúa del electrodo, se puede producir un aumento de las pérdidas óhmicas, ya que la conductividad protónica de la membrana polimérica, es directamente proporcional a su nivel de humidificación. Con el fin de mejorar la gestión del agua de la célula de combustible, se ha añadido una capa microporosa denominada MPL al lado activo del GDL. Esta capa, constituida por una mezcla de negro de carbón con el polímero hidrófobo como aglutinante, otorga al GDL un mejor acabado superficial que reduce la resistencia de contacto con el electrodo, además la reducción del tamaño de las gotas de agua al pasar por el MPL mejora la difusión gaseosa por la disminución de obstrucciones en el GDL. Es importante tener cuidado en los tratamientos de hidrofobización de estos dos elementos, ya que, cantidades excesivas de polímero hidrófobo podrían reducir demasiado el tamaño de los poros, además de aumentar las pérdidas resistivas por su marcado carácter dieléctrico. Para el correcto análisis del funcionamiento de una célula de combustible, la herramienta fundamental es su caracterización eléctrica a partir de la curva de polarización. Esta curva representa la evolución del potencial de la célula respecto de la densidad de corriente, y su forma viene determinada principalmente por la contribución de las tres pérdidas mencionadas anteriormente. Junto con la curva de polarización, en ocasiones se presenta la curva de densidad de potencia, que se obtiene a partir de la misma. De forma complementaria a la curva de polarización, se puede realizar el estudio del circuito equivalente de la célula de combustible. Este consiste en un circuito eléctrico sencillo, que simula las caídas de potencial en la célula a través de elementos como resistencias y capacitancias. Estos elementos representas pérdidas y limitaciones en los procesos químicos y físicos en la célula. Para la obtención de este circuito equivalente, se realiza una espectroscopia de impedancia electroquímica (en adelante EIS), que consiste en la identificación de los diferentes elementos a partir de los espectros de impedancia, resultantes de introducir señales de corriente alternas sinusoidales de frecuencia variable en la célula y observar la respuesta en la tensión. En la siguiente imagen se puede observar un ejemplo de la identificación de los parámetros del circuito equivalente en un espectro de impedancia. Al final del trabajo, se han realizado dos aplicaciones prácticas para comprobar la influencia de las características hidrófobas y morfológicas de los medios difusores en la gestión del agua en el cátodo y, por tanto, en el resultado eléctrico de la célula; y como aplicación práctica de las técnicas de construcción y análisis de las curvas de polarización y potencia y de la espectroscopia de impedancia electroquímica. El primer estudio práctico ha consistido en comprobar los beneficios de la inclusión de un MPL al GDL. Para ello se han caracterizado células funcionando con GDL y GDM (GDL+MPL) tratados con dos tipos diferentes de polímeros, PTFE y PFPE. Además se han realizado las pruebas para diferentes condiciones de funcionamiento, a saber, temperaturas de 60 y 80°C y niveles de humidificación relativa de los gases reactivos de 80%-60% y 80%- 100% (A-C). Se ha comprobado con las curvas de polarización y potencia, cómo la inclusión de un MPL en el lado activo del GDL reporta una mejora del funcionamiento de trabajo en todas las condiciones estudiadas. Esta mejora se hace más patente para altas densidades de corriente, cuando la gestión del agua resulta más crítica, y a bajas temperaturas ya que un menor porcentaje del agua producida se encuentra en estado de vapor, produciéndose inundaciones con mayor facilidad. El segundo estudio realizado trata de la influencia del agente hidrofobizante utilizado en los GDMs. Se pretende comprobar si algún otro polímero de los estudiados, mejora las prestaciones del comúnmente utilizado PTFE. Para ello se han caracterizado células trabajando en diferentes condiciones de trabajo (análogas a las del primer estudio) con GDMs tratados con PTFE, PFPE, FEP y PFA. Tras el análisis de las curvas de polarización y potencia, se observa un gran comportamiento del FEP para todas las condiciones de trabajo, aumentando el potencial de la célula para cada densidad de corriente respecto al PTFE y retrasando la densidad de corriente límite. El PFPE también demuestra un gran aumento del potencial y la densidad de potencia de la célula, aunque presenta mayores problemas de difusión a altas densidades de corriente. Los resultados del PFA evidencian sus problemas en la gestión del agua a altas densidades de corriente, especialmente para altas temperaturas. El análisis de los espectros de impedancia obtenidos con la EIS confirma los resultados de las curvas de polarización y evidencian que la mejor alternativa al PTFE para el tratamiento del GDM es el FEP, que por sus mejores características hidrófobas reduce las pérdidas por concentración con una mejor gestión del agua en el cátodo.

Desarrollo de métodos para la evaluación integrada de propiedades mecánicas y superficiales inducidas en materiales metálicos mediante tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser

El tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser, LSP, es una técnica cuyo principal objetivo es el de la modificación del estado tensional de las primeras micras en profundidad de materiales metálicos. En sus comienzos está técnica fue empleada para inducir tensiones residuales de compresión en superficie, pero mientras se avanzaba en su desarrollo se empezaron a observar otros efectos. Profundizando en ellos se llega a la conclusión de que existe una fuerte relación entre todos, pero dependiendo de la aplicación a la que se vea sometido un componente tratado con LSP será necesario una serie de características que bien pueden ser ajustadas “a priori”. Para ello se ha de tener una buena caracterización del proceso láser y de las modificaciones que produce en las propiedades de un material determinado. Y es en este punto donde surge el problema: las modificaciones introducidas por el tratamiento láser son dependientes de la interacción de la energía del pulso láser con el material, es decir, para cada material es necesaria una caracterización previa de cómo sus propiedades son modificadas con las diferentes configuraciones del tratamiento LSP, encontrando para cada material un óptimo en los parámetros láser. En esta Tesis se pretende desarrollar una metodología para evaluar las modificaciones en las propiedades mecánicas y superficiales inducidas en materiales metálicos debido al tratamiento superficial por ondas de choque. De esta manera y avanzando de una manera lógica con la línea de investigación del grupo, se ha querido aplicar todo el conocimiento adquirido de la técnica para desarrollar esa metodología sobre un caso práctico: el empleo de dos configuraciones de tratamiento LSP sobre el acero inoxidable AISI 316L. Estas dos configuraciones elegidas se hacen en base a estudios previos, por parte del grupo de investigación, donde se han optimizados los parámetros para obtener el óptimo en lo que a perfil de tensiones residuales en profundidad se refiere. El material elegido como caso característico para llevar acabo la evaluación integrada del tratamiento LSP, de acuerdo con el propósito de esta Tesis, ha sido el acero inoxidable AISI 316L, debido a que este tipo de acero tiene una excelente resistencia a la corrosión en un amplio rango de atmosferas corrosivas, y es conocido como el grado estándar para un importante número de aplicaciones tecnológicas. La resistencia a la oxidación es buena incluso a altas temperaturas de servicio y la soldabilidad es excelente. Los aceros austeníticos son empleados en aplicaciones que soportan condiciones de alta temperatura y medios altamente corrosivos, como en reactores nucleares. Estos aceros resisten la corrosión en el agua de un reactor y procesos químicos en plantas que operan a temperaturas superiores a los 900 ˚C. En concreto el acero 316L se utiliza en la industria de equipamiento alimentario, en ambientes donde haya presencia de cloruros, en aplicaciones farmacéuticas, en la industria naval, en arquitectura, sector energético, centrales nucleares y en implantes médicos. Es decir, es un material ampliamente implantado en la industria, tanto en industrias tradicionales, como en industrias emergentes como la biomédica. El objetivo marcado para el desarrollo de la presente Tesis es caracterizar de forma precisa cómo el tratamiento superficial por ondas de choque generadas por láser es capaz de mejorar las propiedades de los materiales y cómo de estables son estas con la temperatura. Este punto es importante puesto que a la hora de introducir el proceso LSP en la industria no solo se tiene que tener en cuenta que las propiedades del material sean mejoradas, sino que también es necesario comprobar si esas mejoras se mantienen después de ser sometido el material a un tratamiento térmico ya que las condiciones de servicio de los materiales y componentes empleados no tienen por qué trabajar a temperatura ambiente. Para lograr el objetivo mencionado, el trabajo experimental realizado en la aleación seleccionada bajo todas las condiciones a estudio (material según fue recibido de fábrica, tratado con las dos configuraciones LSP y después de haber sido sometido al tratamiento térmico) ha consistido en lo siguiente: i) Estudios microestructural, morfológico y de composición química. ii) Medida de las tensiones residuales introducidas. iii) Caracterización superficial del material. iv) Estudio de las propiedades mecánicas: ensayos de tracción, ensayos de dureza, cálculo de la densidad de dislocaciones y ensayos de fatiga. v) Caracterización tribológica: ensayos de fricción y cálculo de la tasa de desgaste y volumen eliminado. vi) Caracterización electro-química para el material base y tratado con las dos configuraciones LSP. Se realizan medidas a circuito abierto, curvas de polarización (OCP), ensayos potenciostáticos y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). El trabajo se ha llevado a cabo en los laboratorios del Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid.

Polipirrol, un buen soporte para electrodos de pilas de combustible de metanol directo (DMFC)

(SPA) El polipirrol es uno de los polímeros conductores más utilizados en la preparación de electrodos debido a su alta actividad catalítica para la oxidación y reducción del metanol. En este trabajo se ha depositado electroquímicamente polipirrol a diferentes potenciales de depósito, Ed, sobre tela de carbón no tejida Freudenberg en medio ácido. Se ha analizado la morfología y la respuesta electroquímica en medio HClO4 y en presencia de HClO4+MeOH antes y después de la síntesis del polipirrol sobre ella. Lastructura de las películas obtenidas se ha estudiado por espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier, FTIR. Se observa que el polipirrol mejora las propiedades electroquímicas de la tela de carbón, obteniéndose el mejor resultado para su aplicación como soporte del catalizador en pilas de combustible con la película sintetizada a 1,0V. (ENG) Polypyrrole is one of the most used conducting polymers in electrode building due to its high catalytic activity to the methanol oxidation and reduction. By this motive, polypyrrole has been electrochemically synthesized at constant potential, Ed, on Freudenberg carbon cloth in acid medium. Carbon cloth morphology and electrochemical behaviour in HClO4 and in HClO4+MeOH before and after the polypyrrole eposition have been analysed. The structure of the films was studied by Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR. The polypyrrole improves the electrochemical properties of the studied carbon cloth. The biggest charge of the electroactive area is the one synthesized at 1.0V, being the best for its application as catalyst support in fuel cells.

Comportamiento electroquímico y en pila de combustible de cátodos fabricados mediante evaporacion electrónica de Pt frente a electrodos comerciales

(SPA) Con el objetivo de disminuir el coste de los electrodos utilizados en las pilas de combustible de membrana polimérica se ha llevado a cabo un estudio de la influencia sobre la respuesta electroquímica y en ensayos en monocelda de pila de combustible de alcohol directo, de la deposición por evaporación electrónica de platino sobre tela de carbón. Se han estudiado en las mismas condiciones dos electrodos comerciales con distinta carga de catalizador y dos electrodos preparados por evaporación electrónica de platino. Se encuentra que la evaporación electrónica de platino sobre tela de carbón ahorra carga de catalizador, aumenta la superficie electroactiva y permite alcanzar rendimientos comparables a los de los electrodos comerciales, mejorando mucho la potencia obtenida por unidad de masa de material catalítico. (ENG) In order to diminish the cost of the electrodes used in polymer membrane fuel cells a study of the influence on the electrochemical response and essays in a single direct methanol fuel cell of the deposition by electronic evaporation of Platinum on carbon cloth has been carried out. Two commercial electrodes with different catalyst loading and two electrodes prepared by electronic evaporation of Platinum have been studied in the same conditions. It can be concluded that electronic evaporation of Platinum on carbon cloth saves catalyst load, increases the electroactive surface area and reaches fuel cell performances comparable with those obtained using commercial electrodes, improving clearly the power obtained per unit mass of catalytic material.

Effect of carbon fibres on the mechanical properties and corrosion levels of reinforced portland cement mortars

The changes in mechanical properties of portland cement mortars due to the addition of carbon fibres (CF) to the mix have been studied. Compression and flexural strengths have been determined in relation to the amount of fibres added to the mix, water/binder ratio, curing time and porosity. Additionally, the corrosion level of reinforcing steel bars embedded in portland cement mortars containing CF and silica fume (SF) have also been investigated and reinforcing steel corrosion rates have been determined. As a consequence of the large concentration of oxygen groups in CF surface, a good interaction between the CF and the water of the mortar paste is to be expected. A CF content of 0.5% of cement weight implies an optimum increase in flexural strength and an increase in embedded steel corrosion.

Electrochemical performance of carbon gels with variable surface chemistry and physics

This study describes the electrochemical characterization of N-doped carbon xerogels in the form of microspheres and of carbon aerogels with varied porosities and surface oxygen complexes. The interfacial capacitance of N-doped carbon xerogels decreased with increased micropore surface area as determined by N2 adsorption at −196 °C. The interfacial capacitance showed a good correlation with the areal NXPS concentration, and the best correlation with the areal concentration of pyrrolic or pyridonic nitrogen functionalities. The gravimetric capacitance decreased with greater xerogel microsphere diameter. The interfacial capacitance of carbon aerogels increased with higher percentage of porosity as determined from particle and true densities. The interfacial capacitance showed a linear relationship with the areal oxygen concentration and with the areal concentrations of CO- and CO2-evolving groups.

Investigating the influence of surfactants on the stabilization of aqueous reduced graphene oxide dispersions and the characteristics of their composite films

The stabilization of reduced graphene oxide (RGO) sheets in aqueous dispersion using a wide range of surfactants of anionic, non-ionic and zwitterionic type has been investigated and compared under different conditions of pH, surfactant and RGO concentration, or sheet size. The observed differences in the performance of the surfactants were rationalized on the basis of their chemical structure (e.g., alkylic vs. aromatic hydrophobic tail or sulfonic vs. carboxylic polar head), thus providing a reference framework in the selection of appropriate surfactants for the processing of RGO suspensions towards particular purposes. RGO-surfactant composite paper-like films were also prepared through vacuum filtration of the corresponding mixed dispersions and their main characteristics were investigated. The composite paper-like films were also electrochemically characterized. Those prepared with two specific surfactants exhibited a high capacitance in relation to their surfactant-free counterpart.

Formation of atomic-sized contacts controlled by electrochemical methods

Electrochemical methods have recently become an interesting tool for fabricating and characterizing nanostructures at room temperature. Simplicity, low cost and reversibility are some of the advantages of this technique that allows to work at the nanoscale without requiring sophisticated instrumentation. In our experimental setup, we measure the conductance across a nanocontact fabricated either by dissolving a macroscopic gold wire or by depositing gold in between two separated gold electrodes. We have achieved a high level of control on the electrochemical fabrication of atomic-sized contacts in gold. The use of electrochemistry as a reproducible technique to prepare nanocontacts will open several possibilities that are not feasible with other methodologies. It involves, also, the possibility of reproducing experiments that today are made by more expensive, complicated or irreversible methods. As example, we show here a comparison of the results when looking for shell effects in gold nanocontacts with those obtained by other techniques.

Tailoring the surface chemistry of zeolite templated carbon by electrochemical methods

One option to optimize carbon materials for supercapacitor applications is the generation of surface functional groups that contribute to the pseudocapacitance without losing the designed physical properties. This requires suitable functionalization techniques able to selectively introduce a given amount of electroactive oxygen groups. In this work, the influence of the chemical and electrochemical oxidation methods, on the chemical and physical properties of a zeolite templated carbon (ZTC), as a model carbon material, have been studied and compared. Although both oxidation methods generally produce a loss of the original ZTC physical properties with increasing amount of oxidation, the electrochemical method shows much better controllability and, unlike chemical treatments, enables the generation of a large number of oxygen groups (O = 11000- 3300 μmol/g), with a higher proportion of active functionalities, while retaining a high surface area (ranging between 1900-3500 m2/g), a high microporosity and an ordered 3-D structure.

Novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes for water electrolysis and electrocatalytic oxidation of organics

Mixed metal oxide (MMO) electrodes have been applied to different technologies including chlorine production, organic compounds oxidation, water electrolysis, electroplating, etc. due to their catalytic, optical and electronic properties. Most of the existing MMO electrodes contain either toxic metals or precious metals of the platinum group. The aim of this study was to develop environmentally friendly and cost-effective MMO electrodes for water and organic compounds oxidation. Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes of different nominal composition were prepared, and electrochemically and physically characterized. For water oxidation, Ti/SnO2 electrode with 5 at.% of Ta produced the highest electroactivity. Ti/SnO2 electrode with 7.5 at.% of Ta showed the best performance for the oxidation of methylene blue (MB). The electrocatalytic activity of the Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes increased with the number of active layers. The maximum current of water oxidation reached 3.5 mA at 2.5 V when the electrode was covered with ten layers of Ta2O5. In case of the oxidation of 0.1 mM MB, eight and ten active layers of Ta2O5 significantly increased the electrode activity. The prepared electrodes have been found applicable for both water electrolysis and organic compounds oxidation.

Single-walled carbon nanotube buckypapers as electrocatalyst supports for methanol oxidation

This work studies the use of various single-walled carbon nanotube (SWCNT) buckypapers as catalyst supports for methanol electro-oxidation in acid media. Buckypapers were obtained by vacuum filtration from pristine and oxidized SWCNT suspensions in different liquid media. Pt–Ru catalysts supported on the buckypapers were prepared by multiple potentiostatic pulses using a diluted solution of Pt and Ru salts (2 mM H2PtCl6 + 2 mM RuCl3) in acid media. The resulting materials were characterized via SEM, TEM, EDX and ICP-OES analysis. Well dispersed rounded nanoparticles between 2 and 15 nm were successfully electrodeposited on the SWCNT buckypapers. The ruthenium content in the bimetallic deposits was between 32 and 48 at. %, while the specific surface areas of the catalysts were in the range of 72–113 m2 g−1. It was found that the solvent used to prepare the SWCNT buckypaper films has a strong influence on the catalyst dispersion, particle size and metal loading. Cyclic voltammetry and chronoamperometry experiments point out that the most active electrodes for methanol electro-oxidation were prepared with the buckypaper supports that were obtained from SWCNT dispersions in N-methyl-pyrrolidone.

Electrochemical analysis of the performance of carbon supported Pd nanoparticles for direct formic acid fuel cells: from gold supported electrodes to catalyst-coated membranes

In this work carbon supported Pd nanoparticles were prepared and used as electrocatalysts for formic acid electrooxidation fuel cells. The influence of some relevant parameters such as the nominal Pt loading, the Nafion/total solids ratio as well as the Pd loading towards formic acid electrooxidation was evaluated using gold supported catalytic layer electrodes which were prepared using a similar methodology to that employed in the preparation of conventional catalyst coated membranes (CCM). The results obtained show that, for constant Pd loading, the nominal Pd loading and the Nafion percentage on the catalytic layer do not play an important role on the resulting electrocatalytic properties. The main parameter affecting the electrocatalytic activity of the electrodes seems to be the Pd loading, although the resulting activity is not directly proportional to the increased Pd loading. Thus, whereas the Pd loading is multiplied by a factor of 10, the activity is only twice which evidences an important decrease in the Pd utilization. In fact, the results obtained suggest the active layer is the outer one being clearly independent of the catalytic layer thickness. Finally, catalyst coated membranes with Pd catalyst loadings of 0.1, 0.5 and 1.2 mg cm-2 were also tested in a breathing direct formic acid fuel cell.

Electrooxidation methods to produce pseudocapacitance-containing porous carbons

Surface oxygen groups play a key role on the performance of porous carbon electrodes for electrochemical capacitors in aqueous media. The electrooxidation method in NaCl electrolyte using a filter press cell and dimensionally stable anodes is proposed as a viable process for the generation of oxygen groups on porous carbon materials. The experimental set-up is so flexible that allows the easy modification of carbon materials with different configurations, i.e. cloths and granular, obtaining different degrees of oxidation for both conformations without the requirement of binders and conductivity promoters. After the electrooxidation method, the attained porosity is maintained between 90 and 75% of the initial values. The surface oxygen groups generated can increase the capacitance up to a 30% when compared to the pristine material. However, a severe oxidation is detrimental since it may decrease the conductivity and increase the resistance for ion mobility.

Relevance of porosity and surface chemistry of superactivated carbons in capacitors

We show, through some examples, that chemical activation by alkaline hydroxides permits the preparation of activated carbons with tailored pore volume, pore size distribution, pore structure and surface chemistry, which are useful for their application as electrodes in supercapacitors. Examples are presented discussing the importance of each of these properties on the double layer capacitance, on the kinetics of the electric double-layer charge-discharge process and on the pseudo-capacitative contribution from the surface functional groups or the addition of a conducting polymer.

Specific and reversible immobilization of proteins tagged to the affinity polypeptide C-LytA on functionalized graphite electrodes

We have developed a general method for the specific and reversible immobilization of proteins fused to the choline-binding module C-LytA on functionalized graphite electrodes. Graphite electrode surfaces were modified by diazonium chemistry to introduce carboxylic groups that were subsequently used to anchor mixed self-assembled monolayers consisting of N,N-diethylethylenediamine groups, acting as choline analogs, and ethanolamine groups as spacers. The ability of the prepared electrodes to specifically bind C-LytA-tagged recombinant proteins was tested with a C-LytA-β-galactosidase fusion protein. The binding, activity and stability of the immobilized protein was evaluated by electrochemically monitoring the formation of an electroactive product in the enzymatic hydrolysis of the synthetic substrate 4-aminophenyl β-D-galactopyranoside. The hybrid protein was immobilized in an specific and reversible way, while retaining the catalytic activity. Moreover, these functionalized electrodes were shown to be highly stable and reusable. The method developed here can be envisaged as a general, immobilization procedure on the protein biosensor field.