Optimización de electrosíntesis de nanoestructuras de óxido de Renio/óxido de Grafeno Reducido y su evaluación de la HER mediante sistema de electrodo de disco rotatorio

Abstract

Este estudio se centró en optimizar la electrosíntesis de nanoestructuras de óxidos de renio modificado en óxido de grafeno reducido de manera in situ soportado en carbón vítreo GC|rGO|ReOxNP, basándose en resultados previos del desempeño de la reacción de evolución de H2 (HER) y caracterizaciones mediante técnicas complementarias [1] se definieron los criterios de optimización en función del potencial y el tiempo de electrosíntesis. Adicionalmente, con la finalidad de tener una comprensión más detallada del electrodepósito, se analizaron los mecanismos de nucleación y crecimiento (MNC) a -0.500 V, -0.525 V y -0.550 V y se ajustaron a tres mecanismos a partir de una nucleación progresiva (NP) que involucrar la formación de centros de crecimiento bidimensionales y dos tridimensionales, a una velocidad de crecimiento controlada por transferencia de carga (tc), o por difusión (dif). Todas las perturbaciones electroquímicas se registraron con el instrumento BioLogic SP−200, un potencióstato/galvanostato de alta precisión equipado con el software EC−Lab. La electrosíntesis del electrodo GC|rGO|ReOxNP se llevó a cabo con una disolución de 0,01 M de NH4ReO4 y 0,1 M de H2SO4. El sistema electroquímico se mantuvo a una temperatura de 10 ± 0,1 °C, bajo una atmósfera inerte de nitrógeno (N2) y con una configuración de tres electrodos: el electrodo de trabajo GC|GO, el electrodo de referencia de NHE y un alambre de platino como contraelectrodo, con un área geométrica 20 veces mayor que la del electrodo de trabajo. Para la optimización del potencial se sintetizaron distintos electrodos con diferentes pulsos de potencial fijos entre −0,500 ≤ V ≤ −0,575 V, considerando un tiempo constante de 150 s. Luego, se evaluó el tiempo de electrosíntesis con el potencial óptimo encontrado, entre 90 ≤ t ≤ 180 s. Las mediciones de la HER, se aplicó la técnica electroquímica LSV entre 0,050 y –0,300 V vs RHE, en un medio ácido de 0,5 M de H2SO4 a una velocidad de barrido de 5 mV·s−1 y 2000 rpm aplicando una compensación iR del 90 %, en atmósfera de N2, a una temperatura ambiente de 20 ± 0,1 °C. El sistema electroquímico fue constituido por un electrodo de referencia Normal de Hidrógeno (NHE) conectado a la celda mediante un capilar de Luggin, el contraelectrodo es un alambre de platino y el electrodo de trabajo GC|rGO|ReOxNp, se acopla al montaje de RDE PINE. Finalmente, el electrodo modificado con un pulso de –0,525 V durante 150 s logró un destacado rendimiento, con un sobrepotencial de -0,119 V (±0,005) y una pendiente Tafel de 38 mV·dec⁻¹. Se caracterizó mediante XPS evidenciando la presencia de estados de oxidación +7, +6 y +4, predominando el +6 y microscopía STEM reveló nanopartículas con un diámetro promedio de 54,05 ± 0,67 nm, distribuidas homogéneamente sobre la superficie del GO.

Keywords: electroquímica; nanopartículas de óxido de renio; óxido de grafeno; catálisis