Síntesis y caracterización de nanopartículas de Pt y Au@Pt con planos preferenciales para la reacción de oxidación de metanol

Abstract

El propósito de este trabajo es indagar sobre el comportamiento catalítico de las nanopartículas (NPs) de Pt, con distintas orientaciones superficiales ya que la MOR es susceptible al plano superficial de la nanopartícula en la cual se lleva a cabo ((111) < (110) < (100)); para realizar dicha modificación superficial se emplea el método poliol y se incorpora nitrato de plata (AgNO3), con la finalidad de modificar la morfología de las nanopartículas. Por otro lado, con el propósito de minimizar la cantidad de Pt empleado también fueron sintetizadas nanopartículas del tipo núcleo envolvente, donde en el núcleo se encuentra el oro (Au), y en la envolvente se deposita el platino; cabe resaltar que en este trabajo se buscó modificar los planos superficiales presentes en la envolvente de Pt. Los catalizadores arriba mencionados se soportaron en carbón Vulcan XC-72R para ser evaluados en la reacción de oxidación de metanol; los catalizadores obtenidos fueron los siguientes Pt 1/C, Pt 2/C, Au@Pt 1/C y Au@Pt 2/C, en donde cada uno contiene una cantidad diferente de plata durante las síntesis, teniendo como sistemas de referencia Pt/C y Au@Pt/C. Se utilizaron las técnicas de Difracción de Rayos X (DRX), Microscopia Electrónica de Barrido-Transmisión (STEM) y Espectroscopia Ultravioleta-Visible (Uv- Vis), para estudiar su composición y morfología. En todos los casos las NPs presentan una estructura cristalina, con distintas formas lo que indica la formación de planos preferenciales (cuando se varia cantidad del agente Ag (I) durante la síntesis). Para evaluar la actividad catalítica se emplearon las técnicas de Voltamperometría Cíclica (VC) y Cronoamperometría (CA), encontrándose que el catalizador Au@Pt 1/C presenta la respuesta más favorable para la MOR. Adicionalmente el estudio de potenciales de inversión mostro el comportamiento de las NPs en distintas regiones de barrido de potencial, observándose que el potencial de formación de los picos, así como la densidad de corriente de pico, depende considerablemente de la ventana de potencial establecida. Finalmente, con el objetivo de discernir entre los diferentes procesos que tienen lugar en la interfase electrodo/solución durante la MOR, se empleó Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS); se observó que la forma de los espectros de impedancia es función del potencial aplicado, por ello, el estudio realizado se dividió en regiones que se asocian con los distintos procesos que tienen lugar durante la reacción de oxidación de metanol. De esta caracterización, se corroboro que las NPs de Au@Pt 1/C presentan la respuesta más favorable ya que presenta menores valores de impedancia real, asociado con una menor resistencia a los procesos de transferencia electrónica, atribuyendo esto a la presencia de planos preferenciales para la oxidación de la molécula de metanol.

The purpose of this work is to study the catalytic behavior of Pt nanoparticles (NPs) with different surface orientations since the MOR is sensitive to the nanoparticle’s surface plane. To perform this surface modification, the polyol method is used, and silver nitrate (AgNO3) is incorporated to modify the morphology of the nanoparticles. Furthermore, to reduce the amount of Pt used, core-shell nanoparticles were also synthesized, where in the core of the nanoparticle there is a different material, in this case gold (Au), and platinum is deposited in the shell. It should be noted that in this work the aim was to modify the surface planes present in the Pt shell. The above-mentioned catalysts were supported on Carbon Vulcan XC-72R for evaluation of the methanol oxidation reaction, the catalysts obtained were the following Pt 1/C, Pt 2/C, Au@Pt 1/C and Au@Pt 2/C each containing a different amount of silver during the syntheses having Pt/C and Au@Pt/C as reference systems; X-Ray Diffraction (XRD), Scanning- Transmission Electron Microscopy (STEM) and Ultraviolet-Visible Spectroscopy (UV-Vis) were used to study their composition and morphology, in all cases the NPs present a crystalline structure, with different shapes indicating the formation of preferential planes (when the amount of Ag(I) agent is varied during the synthesis). To evaluate the catalytic activity, Cyclic Voltammetry (CV) and Chronoamperometry (CA) techniques were used and it was found that the catalyst Au@Pt 1/C presents the most favorable response for the MOR. Additionally, the reversal potentials study showed the behavior of the NPs in different potential sweep regions, with which it was observed that the peak formation potential, as well as the peak current density, depends considerably on the established potential window. Finally, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was used, since it allows to differentiate different electrochemical contributions that occur during the MOR, it was observed that according to the applied potential value the shape of the impedance spectra is modified, thus, the study was divided into regions that are associated with the different processes that take place during the methanol oxidation reaction, It was corroborated by EIS that the catalyst Au@Pt 1/C presents the most favorable response since it presents lower real impedance values, which is associated with a lower resistance to the electronic transfer processes, attributing this to the presence of preferential planes for the oxidation of the methanol molecule.