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ES2994056B2 - SYNTHESIS PROCEDURE FOR A CARBONOSE MATERIAL AND ITS USE AS AN ELECTROCATALYST, ESPECIALLY FOR OXYGEN REDUCTION - Google Patents
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ES2994056B2 - SYNTHESIS PROCEDURE FOR A CARBONOSE MATERIAL AND ITS USE AS AN ELECTROCATALYST, ESPECIALLY FOR OXYGEN REDUCTION - Google Patents

SYNTHESIS PROCEDURE FOR A CARBONOSE MATERIAL AND ITS USE AS AN ELECTROCATALYST, ESPECIALLY FOR OXYGEN REDUCTION

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ES2994056B2 ES202330583A ES202330583A ES2994056B2 ES 2994056 B2 ES2994056 B2 ES 2994056B2 ES 202330583 A ES202330583 A ES 202330583A ES 202330583 A ES202330583 A ES 202330583A ES 2994056 B2 ES2994056 B2 ES 2994056B2
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Description

[0001] DESCRIPCIÓN[0001] DESCRIPTION

[0003] PROCEDIMIENTO DE SÍNTESIS DE UN MATERIAL CARBONOSO Y SU USO COMO ELECTROCATALIZADOR, ESPECIALMENTE PARA LA REDUCCIÓN DE OXÍGENO[0003] PROCEDURE FOR SYNTHESIS OF A CARBONOSE MATERIAL AND ITS USE AS AN ELECTROCATALYST, ESPECIALLY FOR THE REDUCTION OF OXYGEN

[0005] CAMPO DE LA INVENCIÓN[0005] FIELD OF THE INVENTION

[0007] El campo de aplicación de la presente invención es el sector industrial energético y, en concreto, la presente invención se centra en la utilización de residuos de biomasa para la obtención de materiales de altas prestaciones para industrias que fabriquen o utilicen pilas de combustible.[0007] The field of application of the present invention is the energy industry sector and, in particular, the present invention focuses on the use of biomass waste to obtain high-performance materials for industries that manufacture or use fuel cells.

[0009] ESTADO DE LA TÉCNICA[0009] STATE OF THE ART

[0011] El uso masivo de combustibles fósiles ha dado lugar a una crisis energética que demanda la evolución hacia una economía basada en energías renovables. Pese a que se han dado importantes pasos hacia la descarbonización del sistema energético, existen importantes limitaciones para su implementación en sectores como el transporte, que es el segundo mayor causante de emisiones de CO<2>y el responsable mayoritario del aumento en las emisiones de efecto invernadero en los últimos años. El uso de baterías en determinados sectores del transporte no es tecnológicamente viable, por lo que el desarrollo de tecnología para la generación y consumo de energía renovable mediante hidrógeno verde es fundamental. Además de este sector, el hidrógeno es un potencial vector energético dado que puede ser producido a partir de energías renovables, almacenado durante largos periodos de tiempo y posteriormente consumido para producir electricidad en periodos de alta demanda energética. En esta aplicación las pilas de combustible juegan un papel muy relevante.[0011] The massive use of fossil fuels has led to an energy crisis that demands a shift towards a renewable energy economy. Although significant steps have been taken towards decarbonizing the energy system, there are major limitations to its implementation in sectors such as transportation, which is the second largest contributor to CO2 emissions and the primary driver of the increase in greenhouse gas emissions in recent years. The use of batteries in certain transportation sectors is not technologically viable, making the development of technology for the generation and consumption of renewable energy using green hydrogen essential. Beyond this sector, hydrogen is a potential energy carrier since it can be produced from renewable energy sources, stored for long periods, and subsequently used to generate electricity during periods of high energy demand. Fuel cells play a crucial role in this application.

[0013] En este sentido en el consumo de hidrógeno verde, la vía electroquímica mediante pilas de combustible ha atraído la mayor parte del interés científico debido a la elevada eficiencia que presenta esta tecnología en comparación con la combustión. No obstante, esta no es una realidad a escala global debido a la gran cantidad de platino necesaria en el catalizador para la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en el cátodo. Las nanopartículas de platino soportadas en materiales carbonosos, generalmente negro de carbón, han mostrado la mayor eficiencia para la ORR y la reacción de oxidación del hidrógeno (HOR). Sin embargo, la ORR presenta una cinética más lenta por lo que requiere una cantidad más elevada de Pt (entre 0,2 y 0,4 mg Pt·cm<-2>en el cátodo frente al 0,05 mg Pt·cm<-2>del ánodo), por lo que el mayor problema reside en el electrocatalizador para la ORR. Además, en el catalizador comercial de platino, la aglomeración de las nanopartículas metálicas durante el uso del catalizador provoca una importante reducción de la actividad catalítica con el tiempo de trabajo de la pila de combustible. Las pilas de combustible más desarrolladas son las de membrana polimérica de intercambio protónico de baja temperatura (PEMFC) pero, en los últimos años, el interés y el desarrollo de las pilas de combustible en medio básico (AAEMFC) ha incrementado muy notablemente ya que la actividad de los materiales basados en metales no nobles es superior en medio alcalino [Z. Yang et al. J. Power Sources (2013, 236, 238-249); Z. Xueqiang et al. J. Energy Chem. (2016, 25, 967-984)].[0013] In this regard, in the consumption of green hydrogen, the electrochemical route using fuel cells has attracted the most scientific interest due to the high efficiency of this technology compared to combustion. However, this is not a reality on a global scale due to the large amount of platinum required in the catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode. Platinum nanoparticles supported on carbonaceous materials, generally carbon black, have shown the highest efficiency for ORR and the hydrogen oxidation reaction (HOR). However, ORR has slower kinetics and therefore requires a higher amount of Pt (between 0.2 and 0.4 mg Pt·cm<-2> at the cathode compared to 0.05 mg Pt·cm<-2> at the anode), so the biggest problem lies in the electrocatalyst for ORR. Furthermore, in commercial platinum catalysts, the agglomeration of metallic nanoparticles during catalyst use causes a significant reduction in catalytic activity over fuel cell operating time. The most developed fuel cells are low-temperature proton exchange polymer membrane fuel cells (PEMFCs), but in recent years, interest in and development of alkaline-mediated fuel cells (AAEMFCs) has increased considerably, as the activity of non-noble metal-based materials is superior in alkaline media [Z. Yang et al. J. Power Sources (2013, 236, 238-249); Z. Xueqiang et al. J. Energy Chem. (2016, 25, 967-984)].

[0015] Un parámetro de gran importancia para ORR es la selectividad de los materiales, ya que la reacción de reducción de oxígeno puede darse por dos mecanismos diferentes dando lugar a diferentes productos. El primer mecanismo consiste en la reducción a través del intercambio de cuatro electrones que da lugar a la formación de agua (H<2>O). Esta es la reacción deseada en pilas de combustible ya que produce una mayor cantidad de energía. Por otra parte, si la reacción transcurre mediante una etapa de dos electrones, el producto formado es peróxido de hidrógeno (H<2>O<2>). Este es un producto de interés para muchas industrias, pero en el ámbito de generación de energía en las pilas de combustible, su generación debe ser minimizada ya que disminuye el rendimiento del dispositivo y provoca la corrosión de elementos del sistema. Mientras que los catalizadores comerciales basados en platino presentan una muy elevada selectividad hacia la vía de 4 electrones, muchos materiales presentan una selectividad mixta, donde el peróxido de hidrógeno producido puede bloquear sitios activos para la reducción del oxígeno e incluso dañar componentes de la celda.[0015] A crucial parameter for ORR is the selectivity of the materials, as the oxygen reduction reaction can occur via two different mechanisms, yielding different products. The first mechanism involves reduction through the exchange of four electrons, resulting in the formation of water (H₂O). This is the desired reaction in fuel cells because it produces a greater amount of energy. On the other hand, if the reaction proceeds via a two-electron step, the product formed is hydrogen peroxide (H₂O₂). This is a product of interest to many industries, but in the context of fuel cell energy generation, its production must be minimized as it reduces device efficiency and causes corrosion of system components. While commercial platinum-based catalysts exhibit very high selectivity for the four-electron pathway, many materials exhibit mixed selectivity, where the hydrogen peroxide produced can block active sites for oxygen reduction and even damage cell components.

[0017] Debido a la gran limitación que supone el uso de platino como electrocatalizador para la ORR, la comunidad científica está dedicando un gran esfuerzo en la obtención de nuevos materiales que sustituyan al Pt en el cátodo. Se está llevando a cabo principalmente mediante dos enfoques:[0017] Due to the significant limitations of using platinum as an electrocatalyst for ORR, the scientific community is dedicating considerable effort to obtaining new materials to replace Pt in the cathode. This is being carried out primarily through two approaches:

[0018] 1. Catalizadores basados en metales: metales no preciosos (e.g. hierro, níquel, cromo, etc.) o basados en bajo contenido de metales nobles como Pt, Pd o Au, formando habitualmente aleaciones para disminuir el contenido en éstos.[0018] 1. Metal-based catalysts: non-precious metals (e.g. iron, nickel, chromium, etc.) or based on low content of noble metals such as Pt, Pd or Au, usually forming alloys to decrease the content of these.

[0019] 2. Catalizadores libres de metal, generalmente materiales carbonosos dopados con heteroátomos (e.g. nitrógeno, azufre, etc.).[0019] 2. Metal-free catalysts, generally carbonaceous materials doped with heteroatoms (e.g. nitrogen, sulfur, etc.).

[0021] Los materiales carbonosos tienen unas características únicas que les hacen ideales para su uso en un amplio rango de aplicaciones electroquímicas. Entre ellas cabe destacar la elevada estabilidad en medios fuertemente ácidos o básicos, la disponibilidad y bajo coste y su versátil química superficial, que puede ser modificada para introducir nuevos sitios activos. Respecto a la reacción de reducción de oxígeno, los materiales carbonosos libres de metales han demostrado gran potencial presentando excelentes actividades catalíticas, como es el ejemplo de los materiales patentados en la invención J. Quílez-Bermejo et al. (ES2725302A1). Sin embargo, los materiales libres de metales presentan limitaciones en otras reacciones electroquímicas como las que tienen lugar en los electrolizadores u otras reacciones de interés.[0021] Carbonaceous materials have unique characteristics that make them ideal for use in a wide range of electrochemical applications. These include high stability in strongly acidic or basic media, availability and low cost, and their versatile surface chemistry, which can be modified to introduce new active sites. Regarding the oxygen reduction reaction, metal-free carbonaceous materials have demonstrated great potential, exhibiting excellent catalytic activities, as exemplified by the materials patented in the invention by J. Quílez-Bermejo et al. (ES2725302A1). However, metal-free materials have limitations in other electrochemical reactions, such as those that occur in electrolyzers or other reactions of interest.

[0023] Por otra parte, los materiales carbonosos dopados con nitrógeno y sitios metálicos han demostrado un gran potencial en electrocatálisis ya que las especies de nitrógeno pueden interaccionar con las especies metálicas, reduciendo el tamaño de la fase activa y mejorando la actividad catalítica hacia la reacción de reducción de oxígeno. Esto ha sido reportado en numerosas investigaciones como Dahuan Li et al. J. Solid State Electrochem. (2020, 24, 1105-1112), Guanghua Wang et al. Int. J. Hydrog. Energy (2016, 41(32), 14101-14110) o Yahao Li et al. J. Energy Chem. (2021, 55, 572-579), entre muchas otras o el electrocatalizador patentado en la invención J. V. Armel-Marie et al. (CN107949941A). Además, la modificación de las especies metálicas permite un amplio rango de posibilidades para poder abarcar otras reacciones electroquímicas de interés. La preparación de especies bimetálicas es de gran interés ya que pueden presentar actividades superiores a los metales de los que se compone debido a efectos sinérgicos. Un ejemplo de materiales basados en aleaciones bimetálicas con especies de hierro puede encontrarse en el trabajo publicado por Fang Shen et al. Appl. Catal. B (2020, 278(5), 119327).[0023] Furthermore, carbonaceous materials doped with nitrogen and metal sites have shown great potential in electrocatalysis, as the nitrogen species can interact with the metal species, reducing the size of the active phase and improving the catalytic activity towards the oxygen reduction reaction. This has been reported in numerous studies such as Dahuan Li et al. J. Solid State Electrochem. (2020, 24, 1105-1112), Guanghua Wang et al. Int. J. Hydrog. Energy (2016, 41(32), 14101-14110), and Yahao Li et al. J. Energy Chem. (2021, 55, 572-579), among many others, or the electrocatalyst patented in the invention by J. V. Armel-Marie et al. (CN107949941A). Furthermore, modifying the metallic species allows for a wide range of possibilities to encompass other electrochemical reactions of interest. The preparation of bimetallic species is of great interest because they can exhibit higher activities than the metals of which they are composed due to synergistic effects. An example of materials based on bimetallic alloys with iron species can be found in the work published by Fang Shen et al. Appl. Catal. B (2020, 278(5), 119327).

[0024] Los materiales carbonosos que son utilizados como soporte de fase activa para electrocatálisis pueden ser de origen muy diverso. Uno de los más utilizados son los negros de carbón, los cuales son producidos por la combustión incompleta de productos derivados del petróleo. Sin embargo, los residuos de biomasa son considerados recursos de elevado interés por la Comisión Europea ya que permiten obtener materiales de elevadas prestaciones, combustibles, productos químicos de alto valor añadido (ácido levulínico, gamma-valerolactona, etc.) y energía. Asimismo, su uso reduce la dependencia de fuentes no renovables e impulsa una gestión sostenible de los recursos naturales. El uso de materiales carbonosos obtenidos a partir de residuos de biomasa ha sido ampliamente estudiado para aplicaciones electroquímicas, especialmente para su aplicación en supercondensadores.[0024] Carbonaceous materials used as active phase supports for electrocatalysis can be of very diverse origins. One of the most widely used is carbon black, which is produced by the incomplete combustion of petroleum products. However, biomass waste is considered a resource of high interest by the European Commission because it allows for the production of high-performance materials, fuels, high-value-added chemicals (levulinic acid, gamma-valerolactone, etc.), and energy. Furthermore, its use reduces dependence on non-renewable sources and promotes sustainable management of natural resources. The use of carbonaceous materials obtained from biomass waste has been extensively studied for electrochemical applications, especially for use in supercapacitors.

[0026] Respecto a la obtención de materiales carbonosos de elevadas prestaciones a partir de los residuos biomásicos, el precursor debe ser sometido a un tratamiento de carbonización para obtener una conductividad eléctrica adecuada. Además, para convertir los precursores biomásicos en soportes carbonosos de elevadas prestaciones, es habitual someterlos a un proceso de activación para generar porosidad. De esta forma, se consigue un soporte en el que los sitios activos pueden distribuirse homogéneamente, lo cual da lugar a propiedades catalíticas superiores en términos de actividad y durabilidad.[0026] Regarding the production of high-performance carbonaceous materials from biomass waste, the precursor must undergo carbonization treatment to achieve adequate electrical conductivity. Furthermore, to convert biomass precursors into high-performance carbonaceous supports, they are typically subjected to an activation process to generate porosity. This results in a support where the active sites can be distributed homogeneously, leading to superior catalytic properties in terms of activity and durability.

[0028] La carbonización hidrotermal ha emergido como un proceso de gran interés para obtener materiales de carbono a partir de residuos de biomasa. Ésta consiste en una conversión termoquímica que utiliza la temperatura y presión para convertir compuestos ricos en carbono en materiales de carbono. La carbonización hidrotermal da lugar a tres fracciones diferenciadas:[0028] Hydrothermal carbonization has emerged as a process of great interest for obtaining carbon materials from biomass waste. It consists of a thermochemical conversion that uses temperature and pressure to convert carbon-rich compounds into carbon materials. Hydrothermal carbonization yields three distinct fractions:

[0029] ● fase sólida, donde se encuentran los precursores ricos en carbono,[0029] ● solid phase, where the carbon-rich precursors are found,

[0030] ● fase líquida, de donde pueden extraerse algunos productos de interés,[0030] ● liquid phase, from which some products of interest can be extracted,

[0031] ● fase gaseosa, la cual generalmente es difícilmente aprovechable.[0031] ● gaseous phase, which is generally difficult to utilize.

[0033] Por otra parte, el tratamiento de activación para desarrollar la porosidad en el material carbonoso procedente de la carbonización puede llevarse a cabo mediante métodos físicos o químicos. La activación química presenta una mayor eficiencia ya que ésta se lleva a cabo a temperaturas inferiores y tiene lugar de forma más rápida, por lo que conlleva mayores rendimientos a la vez que un mayor desarrollo de la porosidad. La activación química consiste en la impregnación del precursor carbonoso con un agente activante y el sometimiento a un tratamiento térmico. Algunos de los agentes activantes más comunes son el hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), cloruro de zinc (ZnCl<2>) o el ácido fosfórico (H<3>PO<4>). No obstante, la activación química presenta a su vez inconvenientes, como son el impacto medioambiental que genera la etapa de lavado para eliminar el residuo de agente activante y la corrosión generada durante el proceso de activación.[0033] On the other hand, the activation treatment to develop porosity in the carbonaceous material from carbonization can be carried out using physical or chemical methods. Chemical activation is more efficient because it is performed at lower temperatures and occurs more quickly, resulting in higher yields and greater porosity development. Chemical activation consists of impregnating the carbonaceous precursor with an activating agent and subjecting it to heat treatment. Some of the most common activating agents are sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), zinc chloride (ZnCl₂), or phosphoric acid (H₃PO₄). However, chemical activation also has drawbacks, such as the environmental impact of the washing stage to remove the activating agent residue and the corrosion generated during the activation process.

[0035] A pesar de que existen un gran número de trabajos que consisten en la preparación de materiales carbonosos para aplicaciones electrocatalíticas que utilizan como precursor residuos de biomasa, todos estos procedimientos necesitan de procesos de lavado del catalizador en medio ácido, en H<2>O o incluso conllevan el uso de disolventes orgánicos. Algunos estudios logran o están cerca de lograr el objetivo planteado en cuanto a actividad catalítica y selectividad hacia la reacción de reducción de oxígeno en medio básico. Sin embargo, estos procesos de lavado tienen un importante coste económico y ambiental que dificulta el escalado industrial de la preparación de este tipo de materiales. Además, habitualmente se aplica durante la preparación más de un tratamiento térmico a elevada temperatura.[0035] Although numerous studies have focused on preparing carbonaceous materials for electrocatalytic applications using biomass waste as a precursor, all these procedures require catalyst washing in acidic media, water, or even organic solvents. Some studies achieve or come close to achieving the stated objective in terms of catalytic activity and selectivity for the oxygen reduction reaction in basic media. However, these washing processes have a significant economic and environmental cost, hindering the industrial scale-up of these materials. Furthermore, more than one high-temperature heat treatment is typically applied during the preparation process.

[0037] El artículo “Biomass-derived porous heteroatom-doped carbon spheres as a highperformance catalyst for the oxygen reduction reaction” deGuangua Wang et al.hace referencia a la síntesis de electrocatalizadores para pilas de combustible utilizando residuos de biomasa como precursor del material carbonoso. Los resultados obtenidos de actividad catalítica y selectividad son comparables a los del catalizador comercial basado en platino. No obstante, este estudio se diferencia de la presente invención por la utilización de lavados con ácido sulfúrico de concentración 1 M y la utilización de tres tratamientos térmicos: (1) 900 ºC durante 60 minutos en atmósfera de N<2>, (2) 900 ºC durante 165 minutos en atmósfera de N<2>y (3) 900 ºC durante 15 minutos en atmósfera de NH<3>.[0037] The article “Biomass-derived porous heteroatom-doped carbon spheres as a high-performance catalyst for the oxygen reduction reaction” by Guangua Wang et al. refers to the synthesis of electrocatalysts for fuel cells using biomass waste as a precursor for the carbonaceous material. The results obtained for catalytic activity and selectivity are comparable to those of the commercial platinum-based catalyst. However, this study differs from the present invention by using 1 M sulfuric acid washes and three thermal treatments: (1) 900 °C for 60 minutes in a N₂ atmosphere, (2) 900 °C for 165 minutes in a N₂ atmosphere, and (3) 900 °C for 15 minutes in an NH₃ atmosphere.

[0039] También se conoce lo divulgado en el artículo “A novel honeycomb Fe-N-C composition derived from wheat flour as an efficiency catalyst for the oxygen reduction reaction” deDahuan Li et al.que hace referencia a la preparación de catalizadores basados en hierro soportado en un material carbonoso dopado con nitrógeno para la reacción de reducción de oxígeno utilizando como precursor de biomasa harina de trigo. En este trabajo se obtiene una actividad similar al catalizador comercial basado en nanopartículas de platino. Sin embargo, se utiliza SiO<2>como material de plantilla. Éste debe de ser posteriormente eliminado con el uso de una disolución de ácido fluorhídrico y, posteriormente, lavado numerosas veces con agua destilada. Además, el tratamiento térmico de la preparación consta de dos etapas a 800º C durante 2 horas cada una de ellas.[0039] Also known is the information published in the article “A novel honeycomb Fe-N-C composition derived from wheat flour as an efficiency catalyst for the oxygen reduction reaction” by Dahuan Li et al., which refers to the preparation of catalysts based on iron supported on a nitrogen-doped carbonaceous material for the oxygen reduction reaction using wheat flour as a biomass precursor. In this work, similar activity to the commercial catalyst based on platinum nanoparticles is obtained. However, SiO₂ is used as the template material. This must be subsequently removed using a hydrofluoric acid solution and then washed several times with distilled water. Furthermore, the thermal treatment of the preparation consists of two stages at 800°C for 2 hours each.

[0041] También se conoce el material patentado en la invención Hao Xiaoqiong et al. (CN110474057A), que hace referencia a un material obtenido mediante un tratamiento hidrotermal, pirólisis a elevada temperatura y posterior lavado con una disolución ácida basada en ácido clorhídrico, ácido sulfúrico y ácido nítrico y donde el precursor metálico consiste en sales cloruro de diferentes metales de transición. Dicho material presenta excelente actividad hacia la reacción de reducción de oxígeno. La presente invención se diferencia del procedimiento descrito en esta invención por no precisar de una etapa de lavado tras el tratamiento térmico a elevada temperatura.[0041] Also known is the material patented in the invention by Hao Xiaoqiong et al. (CN110474057A), which refers to a material obtained by hydrothermal treatment, high-temperature pyrolysis, and subsequent washing with an acidic solution based on hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid, where the metallic precursor consists of chloride salts of different transition metals. This material exhibits excellent activity in the oxygen reduction reaction. The present invention differs from the process described in this invention in that it does not require a washing step after the high-temperature heat treatment.

[0043] Por otra parte, también se conoce lo divulgado en el artículo “Boost oxygen reduction reaction performance by tuning the active sites in Fe-N-P-C catalysts” deYahao Li et al.que hace referencia a la preparación de catalizadores dopados con heteroátomos de nitrógeno y fósforo y especies de hierro altamente dispersas. El material presentado en este documento alcanza actividades catalíticas similares a un catalizador comercial con un 30% en peso de Pt. Sin embargo, el procedimiento se diferencia de la presente invención por la utilización de una temperatura de 1000 ºC para la calcinación y la necesidad de una etapa de lavado para eliminar los residuos ácidos provocados por el H<3>PO<4>usado para la síntesis.[0043] Furthermore, the information published in the article “Boost oxygen reduction reaction performance by tuning the active sites in Fe-N-P-C catalysts” by Yahao Li et al. is also known, which refers to the preparation of catalysts doped with nitrogen and phosphorus heteroatoms and highly dispersed iron species. The material presented in this document achieves catalytic activities similar to a commercial catalyst with 30 wt% Pt. However, the procedure differs from the present invention in that it uses a temperature of 1000 °C for calcination and requires a washing step to remove the acidic residues caused by the H₃PO₄ used for the synthesis.

[0045] Finalmente, también se conoce lo divulgado en el artículo “Synthesis of unused-wood derived C-Fe-N catalysts for oxygen reduction reaction by heteroatom doping during hydrothermal carbonization and subsequent carbonization in nitrogen atmosphere” deY. Goto et al, donde hacen referencia a la preparación de electrocatalizadores basados en hierro soportados en un material carbonoso utilizando biomasa como precursor. En este trabajo, los materiales son preparados mediante un único tratamiento térmico a elevada temperatura. No obstante, los parámetros cinéticos que presentan hacia la reacción de reducción de oxígeno no son comparables a los obtenidos por los catalizadores comerciales basados en platino. Además, el material final debe de ser lavado con una disolución acuosa de ácido clorhídrico, H<2>O y, finalmente, etanol.[0045] Finally, the findings published in the article “Synthesis of unused-wood derived C-Fe-N catalysts for oxygen reduction reaction by heteroatom doping during hydrothermal carbonization and subsequent carbonization in nitrogen atmosphere” by Y. Goto et al. are also known, where they refer to the preparation of iron-based electrocatalysts supported on a carbonaceous material using biomass as a precursor. In this work, the materials are prepared by a single high-temperature heat treatment. However, the kinetic parameters they exhibit for the oxygen reduction reaction are not comparable to those obtained with commercial platinum-based catalysts. Furthermore, the final material must be washed with an aqueous solution of hydrochloric acid, H₂O, and finally, ethanol.

[0047] Teniendo en cuenta todos los aspectos comentados, aunque la preparación de electrocatalizadores basados en metales altamente dispersos soportados en materiales carbonosos dopados con nitrógeno preparados a partir de residuos de biomasa ha sido estudiada anteriormente, se adelanta que la presente invención se diferencia de todos ellos en dos aspectos fundamentales:[0047] Taking into account all the aspects discussed, although the preparation of electrocatalysts based on highly dispersed metals supported on nitrogen-doped carbonaceous materials prepared from biomass waste has been studied previously, it is anticipated that the present invention differs from all of them in two fundamental aspects:

[0048] 1. No se emplean agentes activantes convencionales que impliquen posteriores etapas de lavado. De este modo, esta invención es capaz de proporcionar un método de síntesis más sencillo que los utilizados en el estado del arte de estos materiales.[0048] 1. Conventional activating agents that require subsequent washing steps are not used. In this way, this invention is able to provide a simpler synthesis method than those used in the prior art of these materials.

[0049] 2. La activación química del precursor carbonoso y la incorporación de los sitios activos se realiza durante el mismo tratamiento térmico, utilizando la cantidad justa de precursor metálico y precursor de nitrógeno.[0049] 2. The chemical activation of the carbonaceous precursor and the incorporation of the active sites is carried out during the same heat treatment, using just the right amount of metal precursor and nitrogen precursor.

[0051] Habida cuenta de los antecedentes existentes en el estado de la técnica, puede observarse que ninguna de las estrategias conocidas ha resuelto el problema de conseguir catalizadores de bajo coste basados en biomasa con una actividad catalítica y durabilidad suficiente como para remplazar los catalizadores actuales de platino en la ORR y cuya síntesis pueda ser extendida de forma simple a una escala industrial.[0051] Given the existing background in the state of the art, it can be observed that none of the known strategies have solved the problem of obtaining low-cost biomass-based catalysts with sufficient catalytic activity and durability to replace current platinum catalysts in ORR and whose synthesis can be easily extended to an industrial scale.

[0053] DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN[0053] DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0055] En la presente invención se muestra el procedimiento de síntesis de electrocatalizadores de bajo coste y elevadas prestaciones para su uso en reacciones electroquímicas como la reacción de reducción de oxígeno. Los materiales basados en átomos de hierro y otros metales no nobles altamente dispersados en materiales carbonosos dopados con nitrógeno han sido ampliamente estudiados en los últimos años. Sin embargo, a pesar de que algunos materiales han logrado actividades catalíticas cercanas a los catalizadores comerciales basados en platino, los métodos de síntesis necesitan de varias etapas, que incluyen procesos de lavado, que encarecen el precio de los materiales, y son los principales factores que contribuyen al deterioro del medio ambiente y el uso de recursos. Mediante la selección apropiada de precursores metálicos y de nitrógeno, se ha realizado la síntesis de materiales basados en residuos de biomasa, un metal no noble como el hierro, y su funcionalización con grupos nitrogenados en un único tratamiento térmico a alta temperatura. Además, los materiales de la presente invención no precisan de etapas de lavado y alcanzan actividades similares a los catalizadores comerciales en la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino.[0055] The present invention discloses a process for synthesizing low-cost, high-performance electrocatalysts for use in electrochemical reactions such as the oxygen reduction reaction. Materials based on iron atoms and other non-noble metals highly dispersed in nitrogen-doped carbonaceous materials have been extensively studied in recent years. However, although some materials have achieved catalytic activities close to those of commercial platinum-based catalysts, the synthesis methods require several steps, including washing processes, which increase the cost of the materials and are major contributing factors to environmental degradation and resource depletion. By appropriately selecting metal and nitrogen precursors, materials have been synthesized based on biomass waste, a non-noble metal such as iron, and functionalized with nitrogen groups in a single high-temperature heat treatment. Furthermore, the materials of the present invention do not require washing steps and achieve activities similar to commercial catalysts in the oxygen reduction reaction in alkaline media.

[0057] La presente invención proporciona un proceso de preparación de electrocatalizadores que permite la utilización del material obtenido directamente después del tratamiento térmico ya que no se utilizan agentes activantes convencionales como KOH o H<3>PO<4>. De esta forma, el costoso proceso de lavado es prescindible y se disminuye así considerablemente el precio final y el impacto ambiental del catalizador. En lugar de utilizar los agentes activantes mencionados anteriormente, los materiales de la presente invención fueron preparados utilizando otros compuestos, tales como oxalato de hierro (II) (FeC<2>O<4>·2H<2>O; Sigma Aldrich) y dicianodiamida como precursor de nitrógeno (C<2>H<4>N<4>; Wako Pure Chemical Industries). De esta forma, los sitios activos para la aplicación electrocatalítica son incorporados al material carbonoso a la vez que se desarrolla porosidad en el material. Para ello, una mezcla de biomasa, precursor metálico y precursor de nitrógeno es introducida en un autoclave y se realiza un tratamiento hidrotermal, por ejemplo, durante 24 horas a 200 ºC. El carbonizado obtenido en la fase sólida se trata, por ejemplo, en atmósfera inerte de nitrógeno a 900 ºC durante 30 minutos. La descomposición del FeC<2>O<4>y el C<2>H<4>N<4>da como resultado esencialmente CO<2>y N<2>, respectivamente, y especies que quedan fuertemente incorporadas al material carbonoso. De esta forma, al no presentar el material preparado residuos de agentes activantes indeseados, no es necesario añadir etapas posteriores de lavado y se realiza la funcionalización y activación del material carbonoso en una sola etapa.[0057] The present invention provides a process for preparing electrocatalysts that allows the use of the material obtained directly after heat treatment, as conventional activating agents such as KOH or H₃PO₄ are not used. In this way, the costly washing process is unnecessary, thus considerably reducing the final price and environmental impact of the catalyst. Instead of using the aforementioned activating agents, the materials of the present invention were prepared using other compounds, such as iron(II) oxalate (FeC₂O₄·2H₂O; Sigma Aldrich) and dicyandiamide as a nitrogen precursor (C₂H₄N₄; Wako Pure Chemical Industries). In this way, the active sites for electrocatalytic application are incorporated into the carbonaceous material while simultaneously developing porosity within the material. To achieve this, a mixture of biomass, a metal precursor, and a nitrogen precursor is placed in an autoclave and subjected to hydrothermal treatment, for example, for 24 hours at 200 °C. The resulting solid-phase carbon is then treated, for example, in an inert nitrogen atmosphere at 900 °C for 30 minutes. The decomposition of FeC₂O₄ and C₂H₄N₄ essentially yields CO₂ and N₂, respectively, and other species that become strongly incorporated into the carbonaceous material. Since the prepared material contains no residues of unwanted activating agents, subsequent washing steps are unnecessary, and the functionalization and activation of the carbonaceous material are achieved in a single step.

[0059] El objeto de la presente invención se refiere a un procedimiento de síntesis de un material carbonoso en polvo que comprende:[0059] The object of the present invention relates to a process for synthesizing a carbonaceous powder material comprising:

[0060] ● una primera etapa de tratamiento de carbonización hidrotermal de biomasa junto con precursores de nitrógeno y precursores de un metal de transición distinto de los metales del grupo del platino, obteniendo un carbonizado sólido,[0060] ● a first stage of hydrothermal carbonization treatment of biomass together with nitrogen precursors and precursors of a transition metal other than the platinum group metals, obtaining a solid carbonate,

[0061] ● una segunda etapa de tratamiento térmico en atmósfera inerte del carbonizado sólido obtenido anteriormente, obteniendo un material carbonoso en polvo.[0061] ● a second stage of heat treatment in an inert atmosphere of the solid carbonized material obtained previously, obtaining a carbonaceous powder material.

[0062] En la presente invención, la expresión “metales del grupo del platino” se refiere a iridio, osmio, paladio, platino, rodio y rutenio.[0062] In the present invention, the expression “platinum group metals” refers to iridium, osmium, palladium, platinum, rhodium, and ruthenium.

[0063] Los metales de transición pueden ser, por ejemplo, hierro, cobalto, níquel, y preferentemente es hierro.[0063] Transition metals can be, for example, iron, cobalt, nickel, and preferably iron.

[0065] El precursor de metal de transición puede ser un compuesto metálico, por ejemplo, una sal inorgánica o una sal orgánica del metal, tal como oxalato.[0065] The transition metal precursor can be a metallic compound, for example, an inorganic salt or an organic salt of the metal, such as oxalate.

[0067] El precursor de hierro puede ser un compuesto de hierro, por ejemplo, una sal inorgánica o una sal orgánica de hierro, tal como oxalato de hierro (II).[0067] The iron precursor can be an iron compound, for example, an inorganic salt or an organic iron salt, such as iron(II) oxalate.

[0069] El precursor de nitrógeno puede ser un compuesto de nitrógeno, tal como urea, melamina, o dicianodiamida. Según realizaciones particulares el precursor de nitrógeno es dicianodiamida (C<2>H<4>N<4>).[0069] The nitrogen precursor can be a nitrogen compound, such as urea, melamine, or dicyandiamide. According to particular embodiments, the nitrogen precursor is dicyandiamide (C<2>H<4>N<4>).

[0071] La proporción en la que se mezclan el precursor metálico y el precursor de nitrógeno en la primera etapa está comprendida entre 1:10 y 1:30 en masa de precursor metálico: precursor de nitrógeno.[0071] The ratio in which the metallic precursor and the nitrogen precursor are mixed in the first stage is between 1:10 and 1:30 by mass of metallic precursor: nitrogen precursor.

[0073] Según realizaciones particulares la proporción en la que se mezclan el precursor metálico y el precursor de nitrógeno en la primera etapa está comprendida entre 1:10 y 1:20 en masa de precursor metálico: precursor de nitrógeno.[0073] According to particular embodiments, the ratio in which the metallic precursor and the nitrogen precursor are mixed in the first stage is between 1:10 and 1:20 by mass of metallic precursor: nitrogen precursor.

[0075] La proporción de agua que se utiliza en la primera etapa respecto a la suma de las cantidades en masa de precursor metálico y el precursor de nitrógeno es la suficiente para alcanzar la presión de equilibrio líquido-vapor durante el tratamiento hidrotermal. Habitualmente, esto se consigue con un llenado cercano a la mitad del volumen del reactor.[0075] The proportion of water used in the first stage relative to the sum of the masses of the metal precursor and the nitrogen precursor is sufficient to achieve liquid-vapor equilibrium pressure during hydrothermal treatment. This is typically achieved by filling the reactor to approximately half its volume.

[0077] La primera etapa de tratamiento de carbonización hidrotermal se realiza en un autoclave a una temperatura comprendida entre 150 ºC y 280 ºC, según realizaciones particulares, entre 180 ºC y 220 ºC.[0077] The first stage of hydrothermal carbonization treatment is carried out in an autoclave at a temperature between 150 ºC and 280 ºC, according to particular realizations, between 180 ºC and 220 ºC.

[0078] La primera etapa de tratamiento de carbonización hidrotermal se realiza durante un tiempo comprendido entre 8 y 24 horas, según realizaciones particulares, entre 12 y 24 horas, y según realizaciones particulares adicionales, durante 24 horas.[0078] The first stage of hydrothermal carbonization treatment is carried out for a period of between 8 and 24 hours, depending on particular realizations, between 12 and 24 hours, and depending on additional particular realizations, for 24 hours.

[0080] Según realizaciones particulares, la primera etapa de tratamiento de carbonización hidrotermal se realiza en un autoclave a una temperatura comprendida entre 150 ºC y 280 ºC, durante un tiempo comprendido entre 8 y 24 horas. Según realizaciones particulares adicionales, el tratamiento de carbonización hidrotermal se realiza en un autoclave a una temperatura comprendida a 200 ºC durante 24 horas,[0080] According to specific embodiments, the first stage of hydrothermal carbonization treatment is carried out in an autoclave at a temperature between 150°C and 280°C, for a period of between 8 and 24 hours. According to further specific embodiments, the hydrothermal carbonization treatment is carried out in an autoclave at a temperature of 200°C for 24 hours.

[0082] La segunda etapa de tratamiento térmico en atmósfera inerte se realiza bajo N<2>o argón, preferentemente bajo N<2.>[0082] The second stage of heat treatment in an inert atmosphere is carried out under N<2> or argon, preferably under N<2.>

[0084] La segunda etapa de tratamiento térmico se realiza, según realizaciones particulares, empleando un flujo de gas inerte comprendido entre 50 y 200 mL min<-1>, de gas inerte, preferentemente, comprendido entre 80 y 130 mL min<-1>, y según realizaciones particulares adicionales, de 100 mL min<-1>de gas inerte.[0084] The second heat treatment stage is carried out, according to particular embodiments, using an inert gas flow of between 50 and 200 mL min<-1>, preferably between 80 and 130 mL min<-1>, and according to additional particular embodiments, 100 mL min<-1> of inert gas.

[0086] La segunda etapa de tratamiento térmico se realiza, según realizaciones particulares, empleando una rampa de calentamiento de entre 3 y 7 ºC·min<-1>, más preferentemente 5 ºC·min<-1>hasta la temperatura objetivo comprendida entre 700 y 950 ºC, donde se mantiene durante un tiempo entre 1 y 30 minutos.[0086] The second heat treatment stage is carried out, according to particular embodiments, using a heating ramp of between 3 and 7 °C·min<-1>, more preferably 5 °C·min<-1> to the target temperature between 700 and 950 °C, where it is maintained for a time between 1 and 30 minutes.

[0088] La segunda etapa de tratamiento térmico comprende elevar la temperatura hasta una temperatura objetivo comprendida entre 700 y 950 ºC, preferentemente entre 800 y 950 ºC, y más preferentemente entre 850 y 950 ºC, especialmente preferente hasta 900 ºC.[0088] The second heat treatment stage comprises raising the temperature to a target temperature between 700 and 950 °C, preferably between 800 and 950 °C, and more preferably between 850 and 950 °C, especially preferably up to 900 °C.

[0090] El resultado de la segunda etapa de tratamiento térmico es la descomposición del precursor metálico y del precursor de nitrógeno, dando lugar a especies que quedan fuertemente incorporadas al material carbonoso.[0090] The result of the second heat treatment stage is the decomposition of the metallic precursor and the nitrogen precursor, giving rise to species that are strongly incorporated into the carbonaceous material.

[0092] Según realizaciones particulares, el autoclave es un autoclave de teflón con camisa de acero inoxidable.[0092] According to particular realizations, the autoclave is a Teflon autoclave with a stainless steel jacket.

[0093] Según realizaciones particulares adicionales, el procedimiento comprende una etapa previa de molienda de biomasa, por ejemplo, hasta de un tamaño de partícula comprendido entre 0,2 y 2,5 mm, preferentemente entre 0,3 y 1,4 mm, y más preferentemente entre 0,4 y 1 mm.[0093] According to additional particular embodiments, the process comprises a prior step of grinding biomass, for example, to a particle size between 0.2 and 2.5 mm, preferably between 0.3 and 1.4 mm, and more preferably between 0.4 and 1 mm.

[0095] La biomasa puede ser, por ejemplo, un residuo, tal como cáscara de almendra, hueso de aceituna, hueso de melocotón, madera, etc.[0095] Biomass can be, for example, a waste such as almond shells, olive pits, peach pits, wood, etc.

[0097] Según realizaciones particulares, la etapa previa comprende:[0097] According to specific realizations, the preliminary stage comprises:

[0098] a) Molienda del residuo de biomasa hasta la obtención de un tamaño de partícula comprendido entre 0,4 y 1 mm;[0098] a) Grinding the biomass residue to obtain a particle size between 0.4 and 1 mm;

[0099] b) Introducción del residuo de biomasa, preferentemente cáscara de almendra, el precursor de nitrógeno, preferentemente dicianodiamida y el precursor metálico, preferentemente oxalato de hierro (II)), en un autoclave de teflón con camisa de acero inoxidable.[0099] b) Introduction of the biomass residue, preferably almond shell, the nitrogen precursor, preferably dicyandiamide and the metallic precursor, preferably iron (II) oxalate), into a Teflon autoclave with a stainless steel jacket.

[0101] Según realizaciones particulares adicionales, la primera etapa comprende:[0101] According to additional particular realizations, the first stage comprises:

[0102] a) calentamiento del autoclave que contiene la biomasa y los precursores de nitrógeno y metálico, en una estufa hasta una temperatura de 200 ºC;[0102] a) heating the autoclave containing the biomass and the nitrogen and metallic precursors, in an oven to a temperature of 200 ºC;

[0103] b) mantenimiento de dicha temperatura constante durante 24h;[0103] b) maintaining said temperature constant for 24h;

[0104] c) enfriamiento hasta temperatura ambiente.[0104] c) cooling to room temperature.

[0106] La primera etapa puede comprender, además,[0106] The first stage may also include,

[0107] - trasvase de la fase sólida del producto obtenido a un recipiente cerámico (tal como una navecilla), donde se distribuye homogéneamente;[0107] - transfer of the solid phase of the product obtained to a ceramic container (such as a boat), where it is distributed homogeneously;

[0108] - introducción del recipiente cerámico en un horno herméticamente cerrado;[0108] - introduction of the ceramic container into a hermetically sealed oven;

[0109] - purga del horno con gas inerte.[0109] - purge the oven with inert gas.

[0111] Según realizaciones particulares, la segunda etapa comprende:[0111] According to specific realizations, the second stage comprises:

[0112] a) establecimiento de un flujo de gas inerte, preferentemente N<2>de 100 mL·min<-1>; b) calentamiento del horno de forma gradual a 5 ºC·min<-1>hasta una temperatura de 900 ºC;[0112] a) establishing an inert gas flow, preferably N<2> of 100 mL·min<-1>; b) gradually heating the oven at 5 ºC·min<-1> to a temperature of 900 ºC;

[0113] c) mantenimiento de dicha temperatura constante durante 30 min;[0113] c) maintaining said temperature constant for 30 min;

[0114] d) enfriamiento hasta temperatura ambiente manteniendo la atmósfera de gas inerte; e) Obtención del material carbonoso en polvo.[0114] d) Cooling to room temperature while maintaining an inert gas atmosphere; e) Obtaining the carbonaceous material in powder form.

[0116] Según realizaciones concretas, el procedimiento comprende los siguientes pasos:[0116] According to specific realizations, the procedure comprises the following steps:

[0117] a) introducción de un precursor de biomasa previamente molido con un tamaño de partícula comprendido entre 0,4 y 1,0 mm en un autoclave, junto a un precursor metálico (tal como oxalato de hierro) y un precursor de nitrógeno (tal como dicianodiamida), donde se distribuyen homogéneamente utilizando H<2>O como disolvente;[0117] a) introducing a previously ground biomass precursor with a particle size between 0.4 and 1.0 mm into an autoclave, together with a metallic precursor (such as iron oxalate) and a nitrogen precursor (such as dicyandiamide), where they are homogeneously distributed using H<2>O as a solvent;

[0118] b) introducción del autoclave en una estufa a 200 ºC durante 24 horas;[0118] b) introduction of the autoclave into an oven at 200 ºC for 24 hours;

[0119] c) introducción del sólido obtenido en un horno tubular cerrado herméticamente;[0119] c) introduction of the obtained solid into a hermetically sealed tubular furnace;

[0120] d) calentamiento del horno de forma gradual (5ºC·min<-1>) hasta una temperatura de al menos 900 ºC y con un flujo de un gas inerte, tal como nitrógeno, de 100 mL min<-1>;[0120] d) heating the oven gradually (5ºC·min<-1>) to a temperature of at least 900 ºC and with a flow of an inert gas, such as nitrogen, of 100 mL min<-1>;

[0121] e) mantenimiento de dicha temperatura constante durante 30 minutos;[0121] e) maintaining said temperature constant for 30 minutes;

[0122] f) enfriamiento hasta temperatura ambiente manteniendo la atmósfera inerte controlada; y obtención del material carbonoso en polvo.[0122] f) cooling to ambient temperature while maintaining a controlled inert atmosphere; and obtaining the carbonaceous material in powder form.

[0124] Según realizaciones concretas adicionales, el procedimiento comprende:[0124] According to additional concrete realizations, the procedure comprises:

[0125] a) Molienda del residuo de biomasa hasta la obtención de un tamaño de partícula comprendido entre 0,4 y 1 mm;[0125] a) Grinding the biomass residue to obtain a particle size between 0.4 and 1 mm;

[0126] b) Introducción del residuo de biomasa (cáscara de almendra), el precursor de nitrógeno (dicianodiamida) y el precursor metálico (oxalato de hierro (II)) en un autoclave de teflón con camisa de acero inoxidable;[0126] b) Introduction of the biomass residue (almond shell), the nitrogen precursor (dicyandiamide) and the metallic precursor (iron (II) oxalate) into a Teflon autoclave with a stainless steel jacket;

[0127] c) Calentamiento del autoclave en una estufa hasta una temperatura de 200 ºC;[0127] c) Heating the autoclave in an oven to a temperature of 200 ºC;

[0128] d) Mantenimiento de dicha temperatura constante durante 24h;[0128] d) Maintaining said temperature constant for 24h;

[0129] e) Enfriamiento hasta temperatura ambiente;[0129] e) Cooling to room temperature;

[0130] f) Trasvase de la fase sólida del producto obtenido a una navecilla, donde se distribuye homogéneamente;[0130] f) Transfer of the solid phase of the product obtained to a small boat, where it is distributed homogeneously;

[0131] g) Introducción de ll recipiente cerámico en un horno herméticamente cerrado;[0131] g) Introduction of the ceramic container into a hermetically sealed oven;

[0132] h) Purga del horno con gas inerte;[0132] h) Purging the furnace with inert gas;

[0133] i) Establecimiento de un flujo de N<2>de 100 mL·min<-1>;[0133] i) Establishment of an N<2> flow of 100 mL·min<-1>;

[0134] j) Calentamiento del horno de forma gradual a 5 ºC·min<-1>hasta una temperatura de 900 ºC; k) Mantenimiento de dicha temperatura constante durante 30 min;[0134] j) Heating the oven gradually at 5 °C·min<-1> to a temperature of 900 °C; k) Maintaining this temperature constant for 30 min;

[0135] j) Enfriamiento hasta temperatura ambiente manteniendo la atmósfera inerte de gas N<2>; l) Obtención del material carbonoso en polvo.[0135] j) Cooling to room temperature while maintaining an inert atmosphere of N<2> gas; l) Obtaining the carbonaceous material in powder form.

[0136] De forma preferente, se utilizan una o más de las siguientes condiciones en el procedimiento: - el autoclave utilizado en el procedimiento es de acero inoxidable con una camisa de teflón, el recipiente cerámico es de cuarzo y el horno utilizado es tubular.[0136] Preferably, one or more of the following conditions are used in the procedure: - the autoclave used in the procedure is made of stainless steel with a Teflon jacket, the ceramic container is made of quartz, and the oven used is tubular.

[0137] - el autoclave se introduce en una estufa convencional donde se calienta hasta 200 ºC durante un tiempo comprendido entre 8 y 24 horas, por ejemplo, un tiempo de 24 horas. - el producto obtenido es trasvasado a un recipiente cerámico, donde se distribuye homogéneamente,[0137] - The autoclave is placed in a conventional oven where it is heated to 200°C for a period of between 8 and 24 hours, for example, 24 hours. - The resulting product is transferred to a ceramic container, where it is distributed homogeneously.

[0138] - la temperatura en el horno durante el tratamiento hidrotermal es controlada mediante un termopar que se sitúa en un punto cercano al centro de un recipiente cerámico donde se encuentra la muestra,[0138] - the temperature in the furnace during hydrothermal treatment is controlled by a thermocouple located at a point near the center of a ceramic container where the sample is located,

[0139] - la purga se realiza a un flujo de entre 50 y 200 mL·min<-1>de nitrógeno puro, por ejemplo, de 100 mL·min<-1>de nitrógeno puro y el tiempo de purga es variable dependiendo del tamaño del tubo utilizado.[0139] - the purge is carried out at a flow rate of between 50 and 200 mL·min<-1> of pure nitrogen, for example, 100 mL·min<-1> of pure nitrogen and the purge time is variable depending on the size of the tube used.

[0140] - el calentamiento del horno en la segunda etapa se realiza de forma gradual con una rampa de 5 ºC·min<-1>hasta la temperatura máxima de entre 850 y 950 ºC, por ejemplo, de 900 ºC. - la temperatura obtenida en la segunda etapa, tras el calentamiento gradual se mantiene constante durante un tiempo de entre 1 y 30 minutos, por ejemplo, de 30 minutos.[0140] - The oven heating in the second stage is carried out gradually with a ramp of 5 °C·min<-1> up to the maximum temperature of between 850 and 950 °C, for example, 900 °C. - The temperature obtained in the second stage, after the gradual heating, is kept constant for a time of between 1 and 30 minutes, for example, 30 minutes.

[0141] El material carbonoso es obtenido tras el tratamiento sin subsecuentes etapas de lavado. De esta forma, los electrocatalizadores preparados presentan áreas superficiales específicas superiores a 500 m<2>·g<-1>.[0141] The carbonaceous material is obtained after treatment without subsequent washing steps. In this way, the prepared electrocatalysts have specific surface areas greater than 500 m²·g.

[0143] La presente invención describe también, fuera del objeto de las reivindicaciones, un material carbonoso obtenido a partir del procedimiento definido anteriormente. Según realizaciones concretas, es un material en polvo con especies de hierro dispersas, dopado con nitrógeno y con un área específica superior a los 500 m<2>·g<-1>.[0143] The present invention also describes, outside the scope of the claims, a carbonaceous material obtained from the process defined above. According to specific embodiments, it is a powdered material with dispersed iron species, doped with nitrogen, and with a specific surface area greater than 500 m²/g.

[0145] La presente invención describe también, fuera del objeto de las reivindicaciones, el uso del material carbonoso obtenido por el procedimiento definido anteriormente como electrocatalizador en reacciones electroquímicas, preferentemente como electrocatalizador en la reacción de reducción de oxígeno, en el cátodo de la pila de combustible de membrana polimérica alcalina.[0145] The present invention also describes, outside the scope of the claims, the use of the carbonaceous material obtained by the process defined above as an electrocatalyst in electrochemical reactions, preferably as an electrocatalyst in the oxygen reduction reaction, in the cathode of the alkaline polymeric membrane fuel cell.

[0146] Por medio de la presente invención se consigue un procedimiento de síntesis más sencillo y de menor coste en comparación con los existentes hasta la fecha. Los materiales de la presente invención, debido a su excelente actividad catalítica, durabilidad y bajo coste, se presentan como potenciales candidatos para remplazar a los catalizadores comerciales de Pt en la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino, disminuyendo así el coste total de las pilas de combustible. Además, este método de síntesis es versátil, por lo que permite el estudio de otras reacciones electroquímicas de interés mediante la modificación del precursor metálico o la introducción de otros metales formando aleaciones.[0146] The present invention provides a simpler and less expensive synthesis procedure compared to those existing to date. Due to their excellent catalytic activity, durability, and low cost, the materials of the present invention are potential candidates to replace commercial Pt catalysts in the alkaline oxygen reduction reaction, thereby reducing the overall cost of fuel cells. Furthermore, this synthesis method is versatile, allowing the study of other electrochemical reactions of interest through modification of the metal precursor or the introduction of other metals to form alloys.

[0148] La invención proporciona un procedimiento de síntesis de electrocatalizadores de bajo coste a partir de residuos de biomasa, metales de transición abundantes (en concreto hierro (Fe)), y heteroátomos de nitrógeno sin la necesidad de utilizar más de una etapa a elevada temperatura ni etapas de lavado que aumenten el coste del proceso. Con este objetivo, la presente invención muestra una nueva ruta de trabajo que no ha sido estudiada previamente.[0148] The invention provides a low-cost method for synthesizing electrocatalysts from biomass waste, abundant transition metals (specifically iron (Fe)), and nitrogen heteroatoms without requiring more than one high-temperature stage or washing stages that increase the cost of the process. To this end, the present invention presents a novel approach that has not been previously explored.

[0150] Este procedimiento de síntesis, para el cual no es necesario el empleo de etapas de lavado o más de una etapa a elevada temperatura, permite obtener materiales carbonosos en polvo con excelente actividad catalítica y muy elevada selectividad para la formación de H<2>O mediante la vía deseada de transferencia de 4 electrones por molécula de oxígeno, por lo que son utilizables como electrocatalizadores de pilas de combustible en medio alcalino.[0150] This synthesis procedure, for which it is not necessary to use washing stages or more than one stage at high temperature, allows obtaining carbonaceous materials in powder form with excellent catalytic activity and very high selectivity for the formation of H<2>O by the desired pathway of transfer of 4 electrons per oxygen molecule, so they are usable as electrocatalysts of fuel cells in alkaline medium.

[0152] Los parámetros cinéticos obtenidos por este catalizador para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino constan de un potencial de inicio de reacción de 0,92 V vs. RHE, potencial a mitad de onda de 0,79 V, una densidad de corriente límite similar a la de un electrocatalizador basado en platino y un número de electrones en potenciales útiles de la pila de combustible (0,6-1,0 V) muy cercano a 4, correspondiente a una formación de prácticamente H<2>O como único producto, por lo que se evita la formación de subproductos (H<2>O<2>) que limita el rendimiento energético y puede ser perjudicial para el funcionamiento de las pilas de combustible. Estos materiales, como se ha adelantado previamente, se presentan por lo tanto como candidatos a reemplazar los catalizadores comerciales basados en platino y el procedimiento de síntesis disminuye el coste de las otras estrategias de preparación conocidas hasta ahora.[0152] The kinetic parameters obtained by this catalyst for the oxygen reduction reaction in alkaline medium consist of a reaction start potential of 0.92 V vs. RHE, a half-wave potential of 0.79 V, a limiting current density similar to that of a platinum-based electrocatalyst, and a number of electrons at useful fuel cell potentials (0.6–1.0 V) very close to 4, corresponding to the formation of practically H₂O as the only product. This avoids the formation of byproducts (H₂O₂) that limit energy efficiency and can be detrimental to fuel cell operation. These materials, as previously mentioned, are therefore presented as candidates to replace commercial platinum-based catalysts, and the synthesis procedure reduces the cost compared to other known preparation strategies.

[0153] Respecto a la síntesis de los materiales, es importante tener en cuenta tres factores: a) La temperatura del tratamiento térmico;[0153] Regarding the synthesis of materials, it is important to consider three factors: a) The temperature of the heat treatment;

[0154] b) La utilización de un precursor de nitrógeno y un precursor metálico, en realizaciones particulares hierro, y;[0154] b) The use of a nitrogen precursor and a metallic precursor, in particular embodiments iron, and;

[0155] c) La utilización de biomasa como precursor del material carbonoso.[0155] c) The use of biomass as a precursor of carbonaceous material.

[0157] Para ilustrar la relevancia de la temperatura final en el tratamiento térmico, se ha llevado a cabo un estudio detallado de los electrocatalizadores sintetizados a distintas temperaturas. Durante este estudio, se ha observado que el aumento de la temperatura tiene un impacto significativo en la actividad catalítica y la selectividad. Los valores de actividad catalítica comparables al catalizador comercial basado en nanopartículas de platino han sido únicamente alcanzados por las muestras preparadas a mayor temperatura.[0157] To illustrate the relevance of the final temperature in the heat treatment, a detailed study of electrocatalysts synthesized at different temperatures was carried out. During this study, it was observed that increasing the temperature has a significant impact on catalytic activity and selectivity. Catalytic activity values comparable to the commercial platinum nanoparticle-based catalyst were only achieved by the samples prepared at the highest temperature.

[0159] En la presente invención se ha demostrado que el papel que desempeña el precursor de nitrógeno en la obtención de los presentes materiales carbonosos es fundamental para alcanzar altas prestaciones. Mientras que el desarrollo de porosidad viene mayoritariamente dado, para el caso de utilizar hierro, por la utilización de FeC<2>O<4>, sólo los materiales preparados en presencia de dicianodiamida utilizada como precursor de nitrógeno alcanzaron una actividad y selectividad para la reacción de reducción de oxígeno similar a la del catalizador comercial de platino.[0159] In the present invention, it has been demonstrated that the role played by the nitrogen precursor in obtaining the present carbonaceous materials is fundamental to achieving high performance. While the development of porosity is mainly due, in the case of using iron, to the use of FeC<2>O<4>, only the materials prepared in the presence of dicyandiamide used as a nitrogen precursor achieved an activity and selectivity for the oxygen reduction reaction similar to that of the commercial platinum catalyst.

[0161] Durante este estudio también se ha demostrado que los excelentes resultados obtenidos están relacionados con la utilización de biomasa como precursor del material carbonoso. Se ha observado que la actividad catalítica de materiales preparados siguiendo el presente método de síntesis con un negro de carbón en lugar de cáscara de almendra da lugar a unas prestaciones inferiores.[0161] This study has also demonstrated that the excellent results obtained are related to the use of biomass as a precursor for the carbonaceous material. It has been observed that the catalytic activity of materials prepared using the present synthesis method with carbon black instead of almond shell results in lower performance.

[0163] Por lo tanto, al controlar estos factores fundamentales, es posible preparar electrocatalizadores a partir de residuos de biomasa que presentan una excelente actividad catalítica y a un coste e impacto medioambiental inferior a los otros materiales previamente estudiados y muy inferior al catalizador comercial basado en platino.[0163] Therefore, by controlling these fundamental factors, it is possible to prepare electrocatalysts from biomass waste that exhibit excellent catalytic activity and at a lower cost and environmental impact than the other previously studied materials and much lower than the commercial platinum-based catalyst.

[0164] Además, el procedimiento de síntesis de la presente invención tiene la importante ventaja de que su síntesis es sencilla y los materiales obtenidos tras el tratamiento térmico no contienen residuos debidos al proceso de activación y pueden ser utilizados sin etapas posteriores de lavado y filtración. Por lo tanto, el procedimiento de la presente invención es muy simple y económico, por lo que puede ser escalado a nivel industrial.[0164] Furthermore, the synthesis process of the present invention has the significant advantage of being simple, and the materials obtained after heat treatment contain no residues from the activation process and can be used without subsequent washing and filtration steps. Therefore, the process of the present invention is very simple and economical, and can be scaled up to an industrial level.

[0166] Este procedimiento destaca por su sencillez, bajo coste y versatilidad para extender a otras reacciones electroquímicas de interés, siendo las siguientes sus principales ventajas:[0166] This procedure stands out for its simplicity, low cost and versatility to extend to other electrochemical reactions of interest, the following being its main advantages:

[0167] ● Utiliza como precursor del material carbonoso un residuo de biomasa, en concreto, cáscara de almendra.[0167] ● Uses a biomass residue, specifically almond shell, as a precursor to carbonaceous material.

[0168] ● Los equipos necesarios para llevar a cabo el procedimiento de síntesis son asequibles para cualquier laboratorio o industria.[0168] ● The equipment needed to carry out the synthesis procedure is affordable for any laboratory or industry.

[0169] ● Los catalizadores son sintetizados en polvo, por lo que son fáciles de manejar y dispersar en medio acuoso, lo que facilita su conformación como electrodos.[0169] ● The catalysts are synthesized in powder form, making them easy to handle and disperse in aqueous medium, which facilitates their shaping as electrodes.

[0170] ● El coste de los materiales preparados es muy inferior al de los catalizadores comerciales actuales basados en platino, pero sin comprometer su excelente actividad electrocatalítica. ● Los electrocatalizadores preparados son estables y presentan excelente durabilidad tras numerosos ciclos en reacción.[0170] ● The cost of the prepared materials is much lower than that of current commercial platinum-based catalysts, without compromising their excellent electrocatalytic activity. ● The prepared electrocatalysts are stable and exhibit excellent durability after numerous reaction cycles.

[0171] ● El desarrollo de porosidad y la funcionalización de los materiales se lleva a cabo en una sola etapa, sin la necesidad de utilizar agentes activantes convencionales.[0171] ● The development of porosity and the functionalization of materials is carried out in a single step, without the need to use conventional activating agents.

[0172] ● El precursor metálico utilizado se incorpora en la cantidad justa para evitar costosas etapas de lavado posteriores que comprometerían el impacto medioambiental y el coste del procedimiento.[0172] ● The metallic precursor used is incorporated in just the right amount to avoid costly subsequent washing stages that would compromise the environmental impact and cost of the procedure.

[0173] ● En la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino, los materiales actúan mediante un mecanismo de 4 electrones, de forma que producen H<2>O como único producto y la producción de intermedios que disminuyen la densidad energética del dispositivo y pueden deteriorar la pila de combustible son evitados.[0173] ● In the oxygen reduction reaction in alkaline medium, the materials act by means of a 4 electron mechanism, so that they produce H<2>O as the only product and the production of intermediates that decrease the energy density of the device and can deteriorate the fuel cell are avoided.

[0175] Por lo tanto, la presente invención representa un avance significativo en comparación con los otros procedimientos previamente conocidos, ya que permite obtener materiales carbonosos de bajo coste con excelente actividad electrocatalítica y selectividad hacia la reacción de reducción de oxígeno mediante un proceso de síntesis que utiliza una única etapa de tratamiento térmico a elevada temperatura y no precisa de posteriores etapas de lavado. Anteriormente, se requerían etapas de lavado con agua, disoluciones ácidas o disolventes orgánicos que perjudicaban el coste y el impacto medioambiental. Además, la excelente durabilidad los hace aptos para remplazar el platino en las pilas de combustible de baja temperatura y el fácil escalado de su síntesis hace este procedimiento muy atractivo para su uso industrial.[0175] Therefore, the present invention represents a significant advance compared to other previously known processes, as it allows obtaining low-cost carbonaceous materials with excellent electrocatalytic activity and selectivity for the oxygen reduction reaction through a synthesis process that uses a single high-temperature heat treatment stage and does not require subsequent washing steps. Previously, washing steps with water, acidic solutions, or organic solvents were required, which negatively impacted cost and the environment. Furthermore, their excellent durability makes them suitable for replacing platinum in low-temperature fuel cells, and the ease of scaling up their synthesis makes this process very attractive for industrial use.

[0177] BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS[0177] BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0179] Figura 1:(a) Número de electrones transferidos y (b) curvas de voltamperometría de barrido lineal en disolución de KOH 0,1 M saturada en O<2>a 5 mV·s<-1>y 1600 rpm para los electrocatalizadores obtenidos a diferentes temperaturas.[0179] Figure 1:(a) Number of electrons transferred and (b) linear sweep voltammetry curves in 0.1 M KOH solution saturated in O<2>a 5 mV·s<-1>y 1600 rpm for the electrocatalysts obtained at different temperatures.

[0181] Figura 2:(a) Número de electrones transferidos y (b) curvas de voltamperometría de barrido lineal en disolución de KOH 0,1 M saturada en O<2>a 5 mV·s<-1>y 1600 rpm para los materiales carbonosos obtenidos modificando el uso de dicianodiamida.[0181] Figure 2:(a) Number of electrons transferred and (b) linear sweep voltammetry curves in 0.1 M KOH solution saturated in O<2>a 5 mV·s<-1>y 1600 rpm for the carbonaceous materials obtained by modifying the use of dicyandiamide.

[0183] Figura 3:(a) Número de electrones transferidos y (b) curvas de voltamperometría de barrido lineal en disolución de KOH 0,1 M saturada en O<2>a 5 mV·s<-1>y 1600 rpm para los materiales carbonosos obtenidos con biomasa y negro de carbón Vulcan.[0183] Figure 3:(a) Number of electrons transferred and (b) linear sweep voltammetry curves in 0.1 M KOH solution saturated in O<2>a 5 mV·s<-1>y 1600 rpm for carbonaceous materials obtained with biomass and Vulcan carbon black.

[0185] Figura 4:Estudio de durabilidad donde se muestra el (a) número de electrones transferidos y (b) curvas de voltamperometría de barrido lineal del catalizador fresco y usado tras 200 ciclos de ciclado (entre 0,0-1,0 V a 50 mV·s<-1>y 1600 rpm en disolución de KOH 0,1 M saturada en O<2>).[0185] Figure 4: Durability study showing (a) number of electrons transferred and (b) linear sweep voltammetry curves of the fresh and used catalyst after 200 cycling cycles (between 0.0-1.0 V at 50 mV·s<-1> and 1600 rpm in 0.1 M KOH solution saturated in O<2>).

[0187] EJEMPLOS[0187] EXAMPLES

[0188] El procedimiento descrito muestra la preparación de catalizadores basados en metales de transición dispersos, en concreto hierro, sobre materiales carbonosos dopados con nitrógeno que actúan como electrocatalizadores de alto rendimiento para la reacción de reacción de oxígeno en medio alcalino.[0188] The described procedure shows the preparation of catalysts based on dispersed transition metals, specifically iron, on nitrogen-doped carbonaceous materials that act as high-performance electrocatalysts for the oxygen reaction in an alkaline medium.

[0190] El procedimiento de síntesis se lleva a cabo en un autoclave de 50 mL de acero inoxidable con camisa de teflon y posterior tratamiento térmico en un horno tubular en presencia de una atmósfera inerte de nitrógeno gas. La corriente de purga se mantuvo durante una hora previo al tratamiento térmico.[0190] The synthesis procedure is carried out in a 50 mL stainless steel autoclave with a Teflon jacket and subsequent heat treatment in a tubular furnace in the presence of an inert nitrogen gas atmosphere. The purge stream was maintained for one hour prior to heat treatment.

[0191] A continuación, se describen las condiciones comunes para todos los ejemplos presentados en la presente invención:[0191] The following describes the common conditions for all examples presented in the present invention:

[0192] a) Los precursores utilizados (0,5 mmol de FeC<2>O<4>, 1 gramo de dicianodiamida y 2 gramos de cáscara de almendra) se introducen en un autoclave de teflón de 50 mL con una camisa de acero inoxidable donde se mezclan homogéneamente en presencia de 16 mL de H<2>O. b) El tratamiento hidrotermal se lleva a cabo en una estufa durante 24 horas a una temperatura de 200 ºC.[0192] a) The precursors used (0.5 mmol of FeC<2>O<4>, 1 gram of dicyandiamide and 2 grams of almond shell) are introduced into a 50 mL Teflon autoclave with a stainless steel jacket where they are homogeneously mixed in the presence of 16 mL of H<2>O. b) The hydrothermal treatment is carried out in an oven for 24 hours at a temperature of 200 °C.

[0193] c) Una vez finalizado el tratamiento hidrotermal, se enfría de forma gradual el autoclave hasta temperatura ambiente y se obtiene la fase sólida del producto.[0193] c) Once the hydrothermal treatment is completed, the autoclave is gradually cooled to room temperature and the solid phase of the product is obtained.

[0194] d) Para el tratamiento térmico, los materiales se introducen en un recipiente cerámico de cuarzo, la cual tiene una extensión de 15 cm de longitud y 3 cm de anchura.[0194] d) For heat treatment, the materials are placed in a quartz ceramic container, which is 15 cm long and 3 cm wide.

[0195] e) El horno utilizado es un horno tubular cerrado herméticamente. Su diámetro es de 70 mm, la longitud de 1500 mm y el volumen de 3 L.[0195] e) The oven used is a hermetically sealed tubular oven. Its diameter is 70 mm, its length is 1500 mm and its volume is 3 L.

[0196] f) El recipiente cerámico se introduce en el interior del horno y la temperatura es controlada mediante el uso de un termopar introducido en un punto cercano al centro del recipiente cerámico.[0196] f) The ceramic container is placed inside the oven and the temperature is controlled by using a thermocouple inserted at a point close to the center of the ceramic container.

[0197] g) Previamente al tratamiento térmico, se realiza una purga con el gas inerte con el objetivo de asegurar la atmósfera inerte para el tratamiento térmico. El flujo empleado para el presente procedimiento es de 100 mL·min<-1>. El gas empleado fue el nitrógeno, aunque otros gases inertes pueden ser utilizados.[0197] g) Prior to heat treatment, a purge is performed with the inert gas to ensure an inert atmosphere for the heat treatment. The flow rate used for this procedure is 100 mL·min<-1>. The gas used was nitrogen, although other inert gases may be used.

[0198] h) El tratamiento térmico del material obtenido de la carbonización hidrotermal se realiza a una temperatura de 900 ºC, donde se mantiene un tiempo de 30 minutos con un calentamiento gradual de 5 ºC·min<-1>con un flujo de N<2>de 100 mL min<-1>. El tiempo a máxima temperatura se escoge para asegurar la total reacción para la temperatura objetivo.[0198] h) The heat treatment of the material obtained from hydrothermal carbonization is carried out at a temperature of 900 °C, where it is maintained for a time of 30 minutes with a gradual heating of 5 °C·min<-1> with an N<2> flow of 100 mL min<-1>. The time at maximum temperature is chosen to ensure the complete reaction at the target temperature.

[0199] i) Una vez finalizado el tratamiento térmico, se produce un enfriamiento hasta temperatura ambiente manteniendo en todo momento la atmósfera inerte de nitrógeno. Esto se realiza para evitar transformaciones no deseadas del material debido a factores externos.[0199] i) Once the heat treatment is complete, the material is cooled to room temperature while maintaining an inert nitrogen atmosphere at all times. This is done to prevent unwanted transformations of the material due to external factors.

[0201] De esta forma, como se ha adelantado anteriormente, se obtiene un material carbonoso en polvo con un área específica superior a 500 m<2>·g<-1>. El material carbonoso obtenido muestra excelente actividad catalítica para la reacción de reducción de oxígeno. La selectividad mostrada para la reacción es elevada hacia la formación de H<2>O, con una reducción del porcentaje de H<2>O<2>producido hasta valores comparables al catalizador comercial basado en platino en el intervalo útil de las pilas de combustible. Además, la estabilidad del material es comparable a la mostrada por los catalizadores comerciales.[0201] In this way, as previously mentioned, a carbonaceous powder material with a specific surface area greater than 500 m²/g is obtained. The carbonaceous material obtained shows excellent catalytic activity for the oxygen reduction reaction. The selectivity shown for the reaction is high towards the formation of H₂O, with a reduction in the percentage of H₂O produced to values comparable to the commercial platinum-based catalyst within the useful range of fuel cells. Furthermore, the stability of the material is comparable to that shown by commercial catalysts.

[0203] Para investigar la actividad electrocatalítica del material carbonoso sintetizado, se llevó a cabo la caracterización mediante un electrodo rotatorio de disco-anillo (RRDE). El electrodo de trabajo de carbón vítreo utilizado presenta un diámetro de 5,0 mm y un anillo de platino. Como contraelectrodo, se utilizó una barra de grafito y como electrodo de referencia un electrodo reversible de hidrógeno (RHE) sumergido en el electrolito de trabajo. La cantidad óptima de electrocatalizador utilizado fue de 120 µg ya que resulta en la densidad de corriente límite más elevada. El disco de carbón vitreo del electrodo se modificó con una suspensión de 1 mg·mL<-1>del catalizador en una disolución acuosa de 20% isopropanol y 0,02 Nafion®. El electrolito utilizado es de KOH 0,1 M saturado en O<2>. La Figura 1a muestra la producción de H<2>O<2>como número de electrones, el cual es calculado como n = (4 I<disco>)/(I<disco>+ I<anillo>/N) donde I<disco>e I<anillo>son las corrientes medidas en valor absoluto en los electrodos del disco y el anillo, respectivamente, y N es la eficiencia de colección del electrodo rotatorio, que en nuestro caso tiene un valor determinado experimentalmente de 0,28. La Figura 1b muestra las curvas de voltamperometría de barrido lineal a 5 mV·s<-1>y 1600 rpm.[0203] To investigate the electrocatalytic activity of the synthesized carbonaceous material, characterization was carried out using a rotating ring-disc electrode (RRDE). The working electrode, made of glassy carbon, had a diameter of 5.0 mm and a platinum ring. A graphite rod was used as the counter electrode, and a reversible hydrogen electrode (RHE) immersed in the working electrolyte served as the reference electrode. The optimal amount of electrocatalyst used was 120 µg, as this resulted in the highest limiting current density. The glassy carbon disc of the electrode was modified with a suspension of 1 mg·mL of the catalyst in an aqueous solution of 20% isopropanol and 0.02% Nafion®. The electrolyte used was 0.1 M KOH saturated in O₂. Figure 1a shows the production of H<2>O<2> as a number of electrons, which is calculated as n = (4 I<disk>)/(I<disk>+ I<ring>/N) where I<disk> and I<ring> are the currents measured in absolute value at the disk and ring electrodes, respectively, and N is the collection efficiency of the rotating electrode, which in our case has an experimentally determined value of 0.28. Figure 1b shows the linear sweep voltammetry curves at 5 mV·s<-1> and 1600 rpm.

[0205] La Tabla 1 muestra una extensa comparación de los parámetros que permiten comparar la actividad catalítica de los materiales y el número de electrones involucrados en la reacción de reducción de oxígeno de los diferentes catalizadores descritos en el estado de la técnica.[0205] Table 1 shows an extensive comparison of the parameters that allow comparison of the catalytic activity of the materials and the number of electrons involved in the oxygen reduction reaction of the different catalysts described in the state of the art.

[0207] [0207]

[0208] [0208]

[0211] Tabla 1[0211] Table 1

[0214] EJEMPLO 1: EFECTO DE LA TEMPERATURA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LA[0214] EXAMPLE 1: EFFECT OF HEAT TREATMENT TEMPERATURE ON THE

[0215] ACTIVIDAD ELECTROCATALÍTICA.[0215] ELECTROCATALYTIC ACTIVITY.

[0217] El material carbonoso preparado mediante el procedimiento de esta invención fue sintetizado mediante un tratamiento térmico. Este se realizó a partir de un calentamiento gradual de 5 ºC·min<-1>hasta una temperatura objetivo de 900 ºC. La atmósfera utilizada para el procedimiento de síntesis fue de nitrógeno puro. La masa de precursor de biomasa empleada para la síntesis fue de 2 gramos. Además, el material carbonoso se obtiene en forma de polvo fino que tiene gran capacidad para ser dispersado en medio acuoso y las suspensiones preparadas se mantienen estables en el tiempo, lo cual facilita la posterior preparación de los electrodos. El rendimiento obtenido mediante dicho procedimiento de síntesis fue de 11,5 %.[0217] The carbonaceous material prepared by the process of this invention was synthesized by heat treatment. This was carried out by gradual heating from 5 °C/min to a target temperature of 900 °C. The atmosphere used for the synthesis process was pure nitrogen. The mass of biomass precursor used for the synthesis was 2 grams. Furthermore, the carbonaceous material is obtained in the form of a fine powder that has a high capacity for dispersion in aqueous media, and the prepared suspensions remain stable over time, which facilitates the subsequent preparation of the electrodes. The yield obtained by this synthesis process was 11.5%.

[0219] La Figura 1 muestra los resultados obtenidos en el estudio con un electrodo rotatorio de disco anillo para dos muestras: el material de la presente invención, que ha sido preparado con un tratamiento térmico a 900 ºC (Fe-N/AS_900) en comparación con un material tratado a temperaturas inferiores, en concreto, hasta 800 ºC (Fe-N/AS_800). Para este segundo electrocatalizador tratado a 800 ºC, el rendimiento obtenido fue de 22,6 %. Cuando se emplea una temperatura superior, ocurre un cambio significativo en los materiales finales. En concreto, cuando se utiliza una temperatura de al menos 900 ºC, los materiales adquieren una actividad catalítica comparable al catalizador comercial de platino (Figura 1b). Sin embargo, la muestra preparada a 800 ºC no alcanza la actividad catalítica deseada. Otro aspecto a tener en cuenta es la selectividad de los electrocatalizadores preparados. Mientras que la muestra preparada a mayor temperatura muestra un comportamiento similar al catalizador comercial con un número de electrones transferidos en la reacción que corresponde a una producción de peróxido de hidrógeno inferior al 5 % en el intervalo útil de las pilas de combustible (0,6-1,0V vs RHE), el material preparado a 800 ºC presenta una selectividad inferior, lo cual puede perjudicar la vida de las pilas de combustible y disminuye la eficiencia energética del dispositivo.[0219] Figure 1 shows the results obtained in the study with a rotating ring-disc electrode for two samples: the material of the present invention, prepared by heat treatment at 900 °C (Fe-N/AS_900), compared to a material treated at lower temperatures, specifically up to 800 °C (Fe-N/AS_800). For this second electrocatalyst treated at 800 °C, the yield obtained was 22.6%. When a higher temperature is used, a significant change occurs in the final materials. Specifically, when a temperature of at least 900 °C is used, the materials acquire catalytic activity comparable to the commercial platinum catalyst (Figure 1b). However, the sample prepared at 800 °C does not achieve the desired catalytic activity. Another aspect to consider is the selectivity of the prepared electrocatalysts. While the sample prepared at a higher temperature shows a behavior similar to the commercial catalyst with a number of electrons transferred in the reaction that corresponds to a hydrogen peroxide production of less than 5% in the useful range of the fuel cells (0.6-1.0V vs RHE), the material prepared at 800 ºC has a lower selectivity, which can impair the life of the fuel cells and decrease the energy efficiency of the device.

[0221] EJEMPLO 2: EFECTO DEL PRECURSOR DE NITRÓGENO EN LA ACTIVIDAD ELECTROCATALÍTICA.[0221] EXAMPLE 2: EFFECT OF NITROGEN PRECURSOR ON ELECTROCATALYTIC ACTIVITY.

[0223] El ejemplo 2 ilustra la necesidad de utilizar un precursor de nitrógeno. La síntesis del material carbonoso fue realizada con una relación másica de precursor de biomasa:dicianodiamida de 2:1.[0223] Example 2 illustrates the need to use a nitrogen precursor. The synthesis of the carbonaceous material was carried out with a biomass precursor:dicyandiamide mass ratio of 2:1.

[0225] La incorporación de los heteroátomos de nitrógeno se llevó a cabo introduciendo dicianodiamida como precursor de nitrógeno junto con el precursor metálico en un autoclave con el residuo de biomasa. Se realizó un tratamiento de carbonización hidrotermal a 200 ºC y posteriormente un tratamiento térmico en atmósfera de nitrógeno puro que resultó en los materiales carbonosos con excelente actividad electrocatalítica.[0225] The incorporation of nitrogen heteroatoms was carried out by introducing dicyandiamide as a nitrogen precursor along with the metallic precursor in an autoclave with the biomass residue. A hydrothermal carbonization treatment was performed at 200 °C and subsequently a thermal treatment in a pure nitrogen atmosphere, resulting in carbonaceous materials with excellent electrocatalytic activity.

[0227] Los materiales carbonosos preparados que contienen heteroátomos de nitrógeno muestran una elevada actividad. Con fines comparativos, se estudió una muestra preparada sin dicianodiamida (Fe/AS_900), es decir, únicamente añadiendo el precursor metálico al residuo de biomasa. Mediante este procedimiento de síntesis, el rendimiento obtenido fue de 18,2 %. Los resultados se muestran en la Figura 2. Estos sugieren que la presencia de nitrógeno en el material carbonoso es completamente determinante para la obtención de una excelente actividad catalítica para la reacción de reducción de oxígeno. Las propiedades del material preparado sin precursor de nitrógeno son insuficientes para sustituir al catalizador comercial basado en platino.[0227] Carbonaceous materials prepared containing nitrogen heteroatoms exhibit high activity. For comparison, a sample prepared without dicyandiamide (Fe/AS_900), i.e., by simply adding the metal precursor to the biomass residue, was studied. Using this synthesis procedure, the yield obtained was 18.2%. The results are shown in Figure 2. These suggest that the presence of nitrogen in the carbonaceous material is absolutely essential for achieving excellent catalytic activity in the oxygen reduction reaction. The properties of the material prepared without the nitrogen precursor are insufficient to replace the commercial platinum-based catalyst.

[0229] Además, el precursor de nitrógeno debe de ser incorporado en la síntesis previamente al tratamiento hidrotermal. Con fines comparativos, se estudió otra muestra en la que la dicianodiamida fue introducida posteriormente al tratamiento hidrotermal (Fe-N(post.HTC)/AS_900). Mediante este procedimiento de síntesis, el rendimiento obtenido fue de 21,5 %. El material carbonoso obtenido mediante este método de síntesis modificado presenta un elevado potencial de inicio de reacción (0,88 V) pero los parámetros cinéticos y la selectividad son inferiores. De esta forma, se demuestra que es determinante la introducción del precursor de nitrógeno previamente al tratamiento hidrotermal para alcanzar las excelentes actividades catalíticas.[0229] Furthermore, the nitrogen precursor must be incorporated into the synthesis prior to hydrothermal treatment. For comparative purposes, another sample was studied in which the dicyandiamide was introduced after hydrothermal treatment (Fe-N(post.HTC)/AS_900). Using this synthesis procedure, the yield obtained was 21.5%. The carbonaceous material obtained by this modified synthesis method exhibits a high reaction initiation potential (0.88 V), but the kinetic parameters and selectivity are lower. Thus, it is demonstrated that the introduction of the nitrogen precursor prior to hydrothermal treatment is crucial to achieving excellent catalytic activities.

[0231] EJEMPLO 3: USO DEL RESIDUO DE BIOMASA COMO PRECURSOR DEL MATERIAL CARBONOSO.[0231] EXAMPLE 3: USE OF BIOMASS WASTE AS A PRECURSOR OF CARBONOSE MATERIAL.

[0233] El ejemplo 3 ilustra la ventaja de utilizar biomasa como precursor del material carbonoso obtenido mediante este procedimiento de síntesis. La síntesis del electrolizador fue también realizada utilizando un negro de carbón comercial (Vulcan XC-72R; Cabot Corporation). Para ello, se siguieron las mismas condiciones de síntesis empleadas para los otros materiales. La muestra se nombra Fe-N/Vulcan_900. El rendimiento obtenido para la obtención de este material fue de 92,7 %.[0233] Example 3 illustrates the advantage of using biomass as a precursor for the carbonaceous material obtained through this synthesis procedure. The electrolyzer was also synthesized using a commercial carbon black (Vulcan XC-72R; Cabot Corporation). The same synthesis conditions used for the other materials were followed. The sample is named Fe-N/Vulcan_900. The yield obtained for this material was 92.7%.

[0234] El polvo resultante fue evaluado para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino (Figura 3). La actividad catalítica de esta muestra es considerablemente inferior a la muestra preparada con cáscara de almendra. Estos resultados indican que la utilización de residuos de biomasa no es únicamente de interés por su reducido coste y mayor sostenibilidad, sino que la naturaleza de su composición los convierte en materiales con mejores prestaciones que soportes comerciales convencionales como el negro de carbón para este procedimiento de síntesis.[0234] The resulting powder was evaluated for the oxygen reduction reaction in an alkaline medium (Figure 3). The catalytic activity of this sample is considerably lower than that of the sample prepared with almond shells. These results indicate that the use of biomass waste is not only of interest due to its low cost and greater sustainability, but also because the nature of its composition makes it a material with better performance than conventional commercial supports such as carbon black for this synthesis procedure.

[0236] EJEMPLO 4: ESTUDIO DE DURABILIDAD.[0236] EXAMPLE 4: DURABILITY STUDY.

[0238] Otro objetivo de la presente invención es la preparación de materiales carbonosos robustos que mantengan la excelente actividad electrocatalítica estable durante un largo periodo de tiempo. Por esto, con el fin de demostrar la excelente durabilidad de los materiales carbonosos preparados, se ha realizado un estudio de la actividad de la muestra fresca en comparación a una muestra sometida a una prueba de durabilidad a largo plazo en el RRDE que consistió en el ciclado entre potenciales de 1,0 y 0,0 V vs. RHE a una velocidad de barrido de 50 mV·s<-1>aplicando una velocidad de rotación de 1600 rpm en electrolito de KOH 0,1 M saturado en O<2>. En el estudio de estabilidad (Figura 4) se muestra que el material sintetizado por esta invención es capaz de mantener la misma actividad catalítica tras el experimento de durabilidad en comparación con una muestra fresca, ya que las curvas de voltamperometría y la representación del número de electrones intercambiados no muestran diferencias.[0238] Another objective of the present invention is the preparation of robust carbonaceous materials that maintain excellent and stable electrocatalytic activity over a long period of time. Therefore, in order to demonstrate the excellent durability of the prepared carbonaceous materials, a study was conducted comparing the activity of a fresh sample with that of a sample subjected to a long-term durability test in the RRDE. This test consisted of cycling between potentials of 1.0 and 0.0 V vs. RHE at a sweep speed of 50 mV·s<sup>-1</sup>, applying a rotation speed of 1600 rpm in 0.1 M KOH electrolyte saturated in O<sup>2</sup>. The stability study (Figure 4) shows that the material synthesized by this invention is able to maintain the same catalytic activity after the durability experiment compared to a fresh sample, as the voltammetry curves and the representation of the number of electrons exchanged show no differences.

[0240] La excelente estabilidad obtenida hace de estos materiales una opción muy viable para su uso en pilas de combustible como electrocatalizadores en el cátodo en el que se produce la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino ya que se presentan como materiales robustos que no son desactivados tras un ensayo exigente de durabilidad.[0240] The excellent stability obtained makes these materials a very viable option for use in fuel cells as electrocatalysts in the cathode where the oxygen reduction reaction takes place in an alkaline medium, as they are robust materials that are not deactivated after a demanding durability test.

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Claims (13)

1. REIVINDICACIONES1. CLAIMS 1. Procedimiento de síntesis de un material carbonoso en polvo que comprende:1. A process for synthesizing a carbonaceous powder material comprising: ● una primera etapa de tratamiento de carbonización hidrotermal de biomasa junto con precursores de nitrógeno y precursores de un metal de transición distinto de los metales del grupo del platino, obteniendo un carbonizado sólido,● a first stage of hydrothermal carbonization treatment of biomass together with nitrogen precursors and precursors of a transition metal other than the platinum group metals, obtaining a solid carbonate, ● una segunda etapa de tratamiento térmico en atmósfera inerte del carbonizado sólido obtenido anteriormente, obteniendo un material carbonoso en polvo,● a second stage of heat treatment in an inert atmosphere of the solid carbonized material obtained previously, obtaining a carbonaceous powder material, donde el precursor de nitrógeno es dicianodiamida (C<2>H<4>N<4>) y el precursor metálico es oxalato de hierro (II) FeC<2>O<4>.where the nitrogen precursor is dicyandiamide (C<2>H<4>N<4>) and the metallic precursor is iron(II) oxalate FeC<2>O<4>. 2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el tratamiento de carbonización hidrotermal se realiza una temperatura comprendida entre 150 ºC y 280 ºC, preferentemente entre 180 ºC y 220 ºC y más preferentemente a 200 ºC.2. The process according to claim 1, wherein the hydrothermal carbonization treatment is carried out at a temperature between 150°C and 280°C, preferably between 180°C and 220°C and more preferably at 200°C. 3. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el tratamiento de carbonización hidrotermal se realiza durante un tiempo comprendido entre 8 y 24 horas, preferentemente entre 12 y 24 horas, y más preferentemente, durante 24 horas.3. The process according to claim 1, wherein the hydrothermal carbonization treatment is carried out for a period of between 8 and 24 hours, preferably between 12 and 24 hours, and more preferably for 24 hours. 4. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el tratamiento térmico en atmósfera inerte se realiza bajo N<2>o argón, preferentemente bajo N<2.>4. The process according to claim 1, wherein the inert atmosphere heat treatment is carried out under N₂ or argon, preferably under N₂. 5. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el tratamiento térmico en atmósfera inerte se realiza empleando un flujo de gas inerte comprendido entre 50 y 200 mL min<-1>, de gas inerte, preferentemente, comprendido entre 80 y 130 mL min<-1>, y más preferentemente, de 100 mL min<-1>de gas inerte.5. The process according to claim 1, wherein the inert atmosphere heat treatment is performed using an inert gas flow of between 50 and 200 mL min<-1>, preferably between 80 and 130 mL min<-1>, and more preferably 100 mL min<-1> of inert gas. 6. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el tratamiento térmico en atmósfera inerte se realiza empleando una rampa de calentamiento de entre 3 y 7 ºC·min<-1>, más preferentemente 5 ºC·min<-1>hasta la temperatura objetivo comprendida entre 700 y 950 ºC, donde se mantiene durante un tiempo entre 1 y 30 minutos.6. The process according to claim 1, wherein the inert atmosphere heat treatment is carried out using a heating ramp of between 3 and 7 °C·min<-1>, more preferably 5 °C·min<-1> to the target temperature between 700 and 950 °C, where it is maintained for a time between 1 and 30 minutes. 7. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende una etapa previa de molienda de biomasa, por ejemplo, hasta un tamaño de partícula comprendido entre 0,2 y 2,5 mm, preferentemente entre 0,3 y 1,4 mm, y más preferentemente entre 0,4 y 1 mm.7. The process according to claim 1, comprising a prior step of grinding biomass, for example, to a particle size between 0.2 and 2.5 mm, preferably between 0.3 and 1.4 mm, and more preferably between 0.4 and 1 mm. 8. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la biomasa es un residuo, preferentemente, cáscara de almendra.8. The process according to claim 1, wherein the biomass is a waste product, preferably almond shell. 9. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa previa comprende: a) Molienda del residuo de biomasa hasta la obtención de un tamaño de partícula comprendido entre 0,4 y 1 mm;9. The process according to claim 1, wherein the previous step comprises: a) Grinding the biomass residue to obtain a particle size between 0.4 and 1 mm; b) Introducción del residuo de biomasa, preferentemente cáscara de almendra, el precursor de nitrógeno dicianodiamida y el precursor metálico oxalato de hierro (II), en un autoclave de teflón con camisa de acero inoxidable.b) Introduction of the biomass residue, preferably almond shell, the nitrogen precursor dicyandiamide and the metallic precursor iron(II) oxalate, into a Teflon autoclave with a stainless steel jacket. 10. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la primera etapa comprende: a) calentamiento del autoclave que contiene la biomasa y los precursores de nitrógeno y metálico, en una estufa hasta una temperatura de 200 ºC;10. The process according to claim 1, wherein the first step comprises: a) heating the autoclave containing the biomass and the nitrogen and metallic precursors in an oven to a temperature of 200°C; b) mantenimiento de dicha temperatura constante durante 24h;b) maintaining said temperature constant for 24h; c) enfriamiento hasta temperatura ambiente.c) cooling to room temperature. 11. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la segunda etapa comprende: - establecimiento de un flujo de gas inerte, preferentemente N<2>de 100 mL·min<-1>;11. The process according to claim 1, wherein the second step comprises: - establishing an inert gas flow, preferably N<2> of 100 mL·min<-1>; - calentamiento del horno de forma gradual a 5 ºC·min<-1>hasta una temperatura de 900 ºC; - mantenimiento de dicha temperatura constante durante 30 min;- heating the oven gradually at 5 ºC·min<-1> to a temperature of 900 ºC; - maintaining this constant temperature for 30 min; - enfriamiento hasta temperatura ambiente manteniendo la atmósfera de gas inerte;- Cooling to room temperature while maintaining an inert gas atmosphere; - obtención del material carbonoso en polvo.- obtaining the carbonaceous material in powder form. 12. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende los siguientes pasos: a) introducción de un precursor de biomasa previamente molido con un tamaño de partícula comprendido entre 0,4 y 1,0 mm en un autoclave a su vez junto al precursor metálico (oxalato de hierro) y el precursor de nitrógeno (dicianodiamida), donde se distribuyen homogéneamente utilizando H<2>O como disolvente;12. The process according to claim 1, comprising the following steps: a) introducing a previously ground biomass precursor with a particle size between 0.4 and 1.0 mm into an autoclave together with the metallic precursor (iron oxalate) and the nitrogen precursor (dicyandiamide), where they are homogeneously distributed using H<2>O as a solvent; b) introducción del autoclave en una estufa a 200 ºC;b) placing the autoclave in an oven at 200°C; durante 24 horas;for 24 hours; c) introducción del sólido obtenidoc) introduction of the obtained solid en un horno tubular cerrado herméticamin a hermetically sealed tubular oven d) calentamiento del horno de forma gradual (5ºC·min<-1>) hasta una temperatura de al menos 900 ºC y con un flujo de nitrógeno de 100 mL min<-1>;d) heating the oven gradually (5ºC·min<-1>) to a temperature of at least 900 ºC and with a nitrogen flow of 100 mL min<-1>; e) mantenimiento de dicha temperatura constante durante 30 minutos;e) maintaining said temperature constant for 30 minutes; f) enfriamiento hasta temperatura ambiente manteniendo la atmósfera inerte controlada; y obtención del material carbonoso en polvo.f) cooling to room temperature while maintaining a controlled inert atmosphere; and obtaining the carbonaceous material in powder form. 13. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el precursor metálico y el precursor de nitrógeno son mezclados en la primera etapa en una proporción comprendida entre 1:10 y 1:30 en masa de precursor metálico:precursor de nitrógeno.13. The process according to claim 1, wherein the metal precursor and the nitrogen precursor are mixed in the first stage in a ratio of between 1:10 and 1:30 by mass of metal precursor:nitrogen precursor.
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