Síntese e Caracterização de Nanopartículas de Pt

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA 
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
 
 
 
 
SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y EVALUACIÓN 
DE LA ACTIVIDAD ELECTROCATALÍTICA 
DE NANOPARTÍCULAS DE Pt SOBRE 
NANOTUBOS DE CARBONO 
 
 
TESIS 
 
 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
INGENIERO EN 
 
METALURGIA Y MATERIALES 
 
 
 
P R E S E N T A 
 
 
 
ALAN ALEJANDRO BALCÁZAR LÓPEZ 
 
 
 
ASESOR: DR. JORGE ROBERTO VARGAS GARCÍA 
 
 
MÉXICO, D.F. SEPTIEMBRE 2013 
 
I 
1-081-13 
J 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
DEPARTAMENTO DE EVALUACiÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO 
~.~~ 
'~ SECRETARíA 
~ DE 
EDUCACIÓN PUBLICA 
México, D. F., 13 de junio del 2013. 
AIG. Pasante: Boleta: Carrera: Generación: 
ALAN ALEJANDRO BALCÁZAR LÓPEZ 2009320712 IMM 2008-2012 
Mediante el presente se hace de su conocimiento que este Departamento acepta que el 
C. Dr. Jorge Roberto Vargas García, sea orientador en el tema que propone usted desarrollar como 
prueba escrita en la opción Tesis Individual, con el título y contenido siguiente: 
"Síntesis, caracterización y evaluación de la actividad e/ectrocatalftica de 
nanopartículas de Pt sobre nanotubos de Carbono JI. 
Resumen. 
Introducción. 
1.- Consideraciones teóricas. 
11.- Desarrollo experimental. 
111.- Resultados y discusión. 
Conclusiones. 
Referencias. 
Se concede un plazo máximo de un año, a partir de esta fecha, para presentarlo a revisión por 
el Jurado asignado. 
c. c. p.- Control Escolar. 
GATA/ams 
l 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
DEPARTAMENTO DE EVALUACiÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO 
EDí.iCA CiÓ N FUBLiCA 
México, D. F., 27 de agosto del 2013. 
T-081-13 
Al C. Pasante: 
ALAN ALEJANDRO BALCÁZAR LÓPEZ 
PRESENTE 
Boleta: 
2009320712 
Carrera: 
IMM 
Generación: 
2008-2012 
Los suscritos tenemos el agradp de informar a usted, que habiendo procedido a revisar el 
borrador de la modalidad de titulación correspondiente, denominado: 
"Síntesis, caracterización y evaluación de la actividad e/ectrocatalítica de nanopartículas de 
Pt sobre nanotubos de Carbono". 
encontramos que el citado Trabajo de Tesis Individual, reúne los requisitos para autorizar el Examen 
Profesional y PROCEDER A SU IMPRESiÓN según el caso, debiendo tomar en consideración las 
indicaciones y correcciones que al respecto se le hicieron. 
Atentamente 
JURADO 
.zuJ/-d
ar.fo,.ge Roberto Varg~García 
Presidente 
;6­
Dra. María de los Ángeles Hernández Pérez 
Secretario 
I 
c.c.p.- Expediente 
GATA/rcr 
http:ar.fo,.ge
AGRADECIMIENTOS 
 
Han sido muchas las personas que a lo largo de mi desarrollo como persona y 
profesionista hicieron posible alcanzar mis objetivos. Quisiera agradecer 
públicamente a algunas de ellas. Personalmente habré de agradecer a quienes 
por razones de espacio no incluyo en este momento. 
 
Le agradezco a mi asesor el Dr. Jorge Roberto Vargas García por el apoyo moral 
intelectual y material que me brindó para completar este importante proyecto en mi 
vida. 
 
A mis padres José Arturo y María Teresa por apoyarme en todo momento, por los 
valores que me inculcaron y por darme la oportunidad de tener una excelente 
educación en el transcurso de mi vida. 
 
A mis hermanos Andrés Arturo y David Daniel por ser parte importante de mi 
desarrollo como persona, por guiarme, orientarme y ser un ejemplo a seguir para 
que un día pudiera alcanzar este objetivo. 
 
A mis compañeros y amigos por todos los momentos que pasamos, por las tareas 
que realizamos juntos y por las veces que me explicaron lo que en clase no pude 
entender. A Cecilia Mercado por brindarme su amistad e incondicional apoyo, lo 
cual fue fundamental para la culminación de este proyecto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RECONOCIMIENTOS 
 
Deseo Reconocer el valioso apoyo de las siguientes personas e instituciones: 
 
Al Dr. Felipe Cervantes Sodi de la Universidad Iberoamericana por su apoyo en la 
realización de esta tesis. 
 
Al Centro de Micro y Nano Tecnología del Instituto Politécnico Nacional por las 
facilidades otorgadas para la realización de análisis por espectroscopia Raman. 
 
A la Dra. Mayra Figueroa del Departamento de Ecomateriales y Energía de la 
Universidad Autónoma de Nuevo León por su invaluable apoyo. 
 
A la Dra. María de los Ángeles Hernández Pérez del departamento de Ingeniería 
Metalúrgica y a la Dra. Rosa de Guadalupe González Huerta del departamento de 
Ingeniería Química por su tiempo y apoyo. 
 
 
 
 
ÍNDICE 
Pág. 
 
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 
I. ANTECEDENTES ................................................................................................ 3 
1.1. Síntesis y caracterización de nanotubos de carbono (NTC) ............................ 4 
1.1.1. Síntesis de NTC por método de descarga de arco ............................. 4 
1.1.2. Síntesis de NTC por vaporización con láser ....................................... 5 
1.1.3. Síntesis de NTC por electrólisis .......................................................... 5 
1.1.4. Síntesis de NTC por deposición química de vapor (CVD) .................. 6 
1.1.5. Caracterización de NTC mediante espectroscopía Raman ............... 7 
1.2. Funcionalización de NTC ................................................................................. 9 
1.2.1. Investigaciones recientes .................................................................. 10 
1.3. “Decorado” de NTC ........................................................................................ 11 
1.3.1. Técnicas para el “decorado” de NTC ................................................ 11 
1.4. Producción de hidrógeno ................................................................................ 12 
1.4.1. Electrólisis del agua .......................................................................... 15 
1.4.2. Electrolizadores tipo PEM (Proton Exchange Membrane) ................ 18 
1.5. Materiales de electrodo (electrocatalizadores) para la evolución 
de hidrógeno ......................................................................................................... 20 
1.5.1. Métodos de síntesis de electrocatalizadores .................................... 27 
1.5.2. Investigaciones recientes ................................................................ 28 
 
II. DESARROLLO EXPERIMENTAL .................................................................... 30 
2.1. Procedimiento de funcionalización de los NTC .............................................. 31 
2.2. Incorporación de las partículas de Pt sobre los NTC ..................................... 32 
2.3. Técnicas de caracterización ........................................................................... 34 
2.3.1. Espectroscopía Infrarroja (IRTF-RTA) .............................................. 34 
2.3.2. Análisis Termo-Gravimétrico (ATG) .................................................. 35 
2.3.3. Difracción de Rayos X (DRX) ........................................................... 35 
 
 
 
2.3.4. Microscopía Electrónica de Barrido y de Transmisión de Alta 
 Resolución (MEB-AR, MET) ...................................................................... 35 
2.3.5. Espectroscopía Raman ..................................................................... 35 
2.3.6. Evaluación electrocatalítica .............................................................. 36 
 
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 38 
3.1. Espectroscopía Infrarroja (IRTF-RTA) ............................................................ 38 
3.2. Análisis Termo-Gravimétrico (ATG) ............................................................... 40 
3.3. Difracción de Rayos X (DRX) .........................................................................42 
3.4. Microscopía Electrónica de Barrido y de Transmisión de Alta Resolución 
(MEB-AR, MET) .................................................................................................... 43 
3.5. Espectroscopía Raman .................................................................................. 45 
3.6. Caracterización electrocatalítica ..................................................................... 48 
3.6.1. Voltametría cíclica ............................................................................. 48 
3.6.2. Voltametría lineal .............................................................................. 49 
 
IV. CONCLUSIONES ............................................................................................ 53 
REFERENCIAS .................................................................................................... 54 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
En éste trabajo se reporta el empleo de nanotubos de carbono (NTC) de pared 
múltiple como material soporte para incorporar nanopartículas de platino (Pt) en su 
superficie y posteriormente evaluar el desempeño electrocatalítico de las 
nanoestructuras Pt/NTC en la reacción de evolución de hidrógeno. 
 
También se investigó el efecto de la funcionalización de los NTC, que se llevó a cabo 
con una mezcla 3:1 en volumen de ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido nítrico (HNO3) 
para formar grupos funcionales carboxilos e hidroxilos. Posteriormente, se incorporó 
Pt sobre la superficie de los NTC mediante el proceso de Incorporación en Fase 
Vapor (IFV) utilizando como compuesto precursor acetilacetonato de Pt. El proceso 
IFV se llevó a cabo en un reactor de cuarzo cerrado en dos etapas; la primera a 
180 °C para evaporar el precursor e incorporarlo a los NTC con los vapores. La 
segunda a 400 °C, para descomponer el precursor y formar las partículas metálicas. 
El contenido de Pt respecto a los NTC se controló en 10 y 20 % en peso. 
 
Las características estructurales y morfológicas de los materiales fueron evaluadas 
mediante Espectroscopía Infrarroja (IRTF-RTA), Análisis Termo-Gravimétrico (ATG), 
Difracción de Rayos X (DRX), Espectroscopía Raman y Microscopía Electrónica de 
Barrido y Transmisión de alta resolución (MEB-AR. MET). El desempeño 
electrocatalítico en la reacción de evolución de hidrógeno se evaluó por las técnicas 
de voltametría cíclica y voltametría lineal en una celda de tres electrodos y una 
solución 0.5 M de H2SO4. 
 
Los resultados indican que el tratamiento de funcionalización impactó positivamente 
en la dispersión y el tamaño de las partículas de Pt sobre los NTC. Estos factores 
tienen a la vez una influencia favorable en la reacción de evolución de hidrógeno. 
1 
 
INTRODUCCIÓN 
 
A partir del descubrimiento de los nanotubos de carbono estos se convirtieron en un 
importante punto de atención para distintas áreas, esto debido a sus excelentes 
propiedades como son alta área superficial y alta conductividad eléctrica, aunado a 
una alta estabilidad química y electroquímica [1-5]. 
 
Por otro lado, las nanopartículas de metales nobles como el Pt han sobresalido en 
distintas áreas de la química, física, biología y medicina gracias a sus propiedades 
eléctricas, magnéticas, ópticas y catalíticas, que difieren notablemente de las 
propiedades en volumen [6,7]. 
 
Es por lo anterior que los NTC en combinación con las nanopartículas metálicas dan 
como resultado una nueva clase de nanoestructuras con propiedades que han 
generado un gran interés para aplicaciones en distintos campos de la 
nanotecnología, tales como: sensores moleculares, celdas solares, almacenamiento 
y producción de hidrógeno, sensores de gases, biosensores, medicamentos y 
aplicaciones electrocatalíticas. 
 
La literatura indica que las nanopartículas de Pt soportadas en diferentes tipos de 
materiales (carbono, óxidos metálicos, aleaciones de metales de transición, etc.) han 
sido ampliamente utilizadas comoelectrodos para la evolución de hidrógeno en la 
electrólisis del agua, debido a su excelente actividad [8-11]. No obstante, los 
esfuerzos se han enfocado para mejorar el desempeño de las partículas de Pt por 
medio de la reducción del tamaño de la partícula, incremento de la dispersión sobre 
el material soporte y/o mejorar las interacciones metal-soporte [12,13]. 
 
Al respecto, existe un gran número de técnicas para la incorporación de 
nanopartículas metálicas sobre diversos soportes [14], sin embargo, son pocas las 
que han mostrado buenos resultados en relación al tamaño y la dispersión de las 
partículas [15,16]. Las investigaciones sobre la incorporación de partículas metálicas 
2 
 
sobre NTC muestrean resultados prometedores, sin embargo, aún quedan retos por 
resolver. 
 
 El proceso de incorporación en fase vapor (IFV) ha mostrado resultados 
sobresalientes al incorporar nanopartículas de Pt (3-5 nm) altamente dispersas en la 
superficie de los NTC [17]. 
 
Por lo anterior este trabajo de tesis propone emplear NTC como material soporte 
para incorporar nanopartículas de Pt mediante el proceso IFV, y evaluar el 
desempeño electrocatalítico de las nanoestructuras Pt/NTC en la reacción de 
evolución de hidrógeno. Así este trabajo propone los siguientes objetivos. 
 
Objetivos: 
 
1. Funcionalizar los NTC y comparar los resultados con NTC sin funcionalizar. 
 
2. Incorporar partículas de Pt con tamaños menores a 5 nm y alta dispersión 
sobre los NTC. 
 
3. Investigar el mecanismo de incorporación de partículas de Pt por el método 
IFV. 
 
4. Investigar el desempeño electrocatalítico de los materiales Pt/NTC en la 
reacción de evolución de hidrógeno. 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
I. ANTECEDENTES 
 
1.1. Síntesis y caracterización de nanotubos de carbono (NTC) 
 
Los NTC (nanotubos de carbono) son macromoléculas con un radio tan pequeño 
como unos cuantos nanómetros, los nanotubos pueden crecer por encima de los 20 
cm a lo largo. Las paredes de estos tubos están formadas por una red hexagonal de 
átomos de carbono análoga a los planos del grafito. Los extremos de los nanotubos 
están cerrados por una estructura muy similar a medio fullereno. En el caso más 
común, un NTC está compuesto por una disposición concéntrica de muchos cilindros, 
ver Figura 1. Los NTC pueden alcanzar diámetros de hasta 100 nm. Un caso 
especial son los NTC de sólo dos cilindros concéntricos. Los nanotubos de pared 
simple poseen la geometría más sencilla y se han observado con diámetros que van 
de 0.4 a 3 nm [1]. 
 
 
Figura 1. Estructura de un nanotubo de pared múltiple formado por varias capas con 
diferente quiralidad. 
4 
 
Existen varios métodos de obtención de NTC, los cuales se basan en el tratamiento 
de materiales carbonáceos a altas temperaturas. A continuación se presenta una 
breve descripción de los métodos más comunes que se utilizan en la actualidad, así 
como sus ventajas y desventajas. 
 
1.1.1. Síntesis de NTC por método de descarga de arco 
 
Se pueden producir aunque con algunas variantes entre tipos de NTC, el método 
consiste en el paso de una corriente directa a través de dos electrodos de grafito de 
alta pureza en el interior de una atmósfera de He, lo cual origina un arco, ver Figura 
2. Durante el arqueo se forman depósitos sobre el cátodo, mientras que el ánodo se 
consume. Estos depósitos se cubren con una capa gris en la periferia. El centro, 
oscuro y blando, contiene nanotubos y partículas de grafeno. Para que los NTC se 
formen se requiere de electrodos de grafito de alta pureza, polvos metálicos, Ar y He 
de alta pureza. No hay control sobre las dimensiones de los NTC, además de estos 
se forman otras partículas, por lo que la purificación es un paso adicional en el 
proceso. 
 
Figura 2. Esquema del equipo de descarga de arco utilizado para la producción de 
NTC. 
5 
 
1.1.2. Síntesis de NTC por vaporización con láserSe pueden producir NTC mediante una combinación de láser de alta potencia y altas 
temperaturas. Particularmente, se generan NTC a través de la vaporización por láser 
de grafito sellado en una atmósfera de Ar en un tubo de sílice en el interior de un 
horno a 1200 °C. Una desventaja es que la técnica no es económica, ya que se 
utiliza grafito de alta pureza y los requerimientos de potencia del láser son altos, ver 
Figura 3. Además, el rendimiento de los NTC producidos no es alto en comparación 
con otros métodos. 
 
Figura 3. Dibujo experimental de la producción de NTC usando la técnica láser. 
 
1.1.3. Síntesis de NTC por electrólisis 
 
Por inmersión de electrodos de grafito en cloruro de litio fundido en atmósfera de Ar 
y aplicando un voltaje entre los electrodos, se pueden obtener NTC con rendimientos 
de 20-40 %. Después de la electrólisis el equipo se enfría y los materiales 
carbonáceos se separan disolviendo la sal iónica en agua destilada. Después de 
filtrar, en los sólidos se encuentran los NTC y otras nanoestructuras. A pesar de es 
una técnica no costosa, no es muy utilizada debido a la dificultad para controlar el 
rendimiento y las dimensiones de los nanotubos, ver Figura 4. 
6 
 
 
Figura 4. Diagrama esquemático de la electrólisis utilizada para producir NTC. 
 
 
1.1.4. Síntesis de NTC por deposición química en fase vapor (CVD) 
 
En presencia de un catalizador metálico (Co, Ni, Fe, Pt o Pd) depositado sobre 
sustratos como Si, la pirólisis de hidrocarburos (como metano, benceno, acetileno, 
naftaleno o etileno) ofrece una alternativa para la producción de fullerenos, NTC y 
otras nanoestructuras, ver Figura 5. Esta técnica representa una alternativa para la 
producción masiva de NTC; de hecho, la mayoría de los NTC comerciales 
disponibles se sintetizan mediante este método. 
7 
 
 
Figura 5. Esquema del reactor CVD para la síntesis de NTC. 
 
1.1.5. Caracterización de NTC mediante espectroscopía Raman 
 
La espectroscopía Raman es una de las técnicas más utilizadas para caracterizar 
NTC, proporciona información acerca de la pureza, defectos, alineación de los tubos 
y ayuda en la distinción de NTC de pared múltiple o NTC de pared única con 
respecto a otras formas alotrópicas de carbono. La caracterización de los NTC se 
logra mediante este método con la interpretación de las bandas que se describen a 
continuación, y aparecen en el rango de longitud de onda mostrado en la Tabla 1. 
 
Tabla 1. Intervalos correspondientes a las bandas de NTC 
 
 
Longitud de onda (cm-1) Asignación
1340-1355 D
1500-1600 G
2450-2600 G’
8 
 
D. Es indicador de la presencia de defectos en las paredes y el desorden 
grafítico. 
 
G. Alta intensidad en la banda G indica el alto grado de cristalinidad o 
grafitización. 
 
G’. Alta intensidad en la banda G’ es indicativo de nanografito altamente 
ordenado, compuesto de pocas hojas de grafeno o estructuras con defectos 
sobre la red debido al efecto de la curvatura. 
 
Generalmente, la relación entre las intensidades de las bandas D y G son usadas 
para evaluar el grado de desorden de materiales grafíticos y la cantidad de defectos 
presentes en las paredes del NTC, esto se puede apreciar en la Figura. 6 que 
compara las distintas purezas de NTC [4,18,19]. 
 
 
Figura 6. Bandas características de NTC de pared múltiple con distintos porcentajes 
de pureza. 
9 
 
1.2. Funcionalización de NTC 
 
Los experimentos relacionados con la funcionalización de los nanotubos iniciaron 
con la adsorción de flúor sobre nanotubos de pared única. También ha sido 
intensamente investigado, tanto teórica como experimentalmente, la funcionalización 
de los NTC como adsorbente de átomos o moléculas mediante sus paredes 
deformadas estructuralmente o también por adsorción de los grupos químicos tales 
como el carboxilo (COOH) ver Figura. 7. En la mayoría de estos casos, las 
propiedades electrónicas y por lo tanto, la reactividad química son alteradas por la 
funcionalización [2]. 
 
La funcionalización de los NTC amplía de manera significativa su espectro de 
aplicaciones y usos industriales. La formación o incorporación de grupos funcionales 
diferentes en la pared externa del nanotubo abre una infinidad de posibilidades en la 
industria de los materiales y dispositivos de muy diversa índole. Por ejemplo, una 
funcionalización adecuada del nanotubo aumenta notablemente su solubilidad en 
diversos solventes, incluida, el agua. Incrementando su solubilidad se propicia una 
mejor interacción con otras especies moleculares como polímeros, partículas 
metálicas, semiconductoras, etc. 
 
En la actualidad existe gran interés en desarrollar protocolos de funcionalización, ya 
que cada uno ellos, busca la selectividad para una aplicación específica. La 
funcionalización permite la manipulación dirigida de los nanotubos y con ello producir 
materiales planificados, o sea, la verdadera Ingeniería Molecular de los NTC [3]. 
 
10 
 
 
Figura 7. Representación esquemática de la funcionalización agregando grupos 
carboxilo (COOH) a la superficie del NTC. 
 
1.2.1. Investigaciones recientes 
 
Con lo que respecta a los efectos de la funcionalización sobre los NTC ya se han 
realizado estudios donde grupos funcionales son agregados a las paredes de NTC 
con el fin de evaluar sus propiedades como soporte para celdas de combustible tipo 
PEM. El estudio de Se Hoon Kim muestra que al efectuar éste tipo de tratamientos a 
los NTC, la fuerza de enlace entre el metal catalítico (en este caso Pt) y el soporte es 
más fuerte que si el tratamiento no se hubiera realizado, además de que se observa 
una mejor dispersión de las partículas metálicas aunque la duración del tratamiento y 
la temperatura a la que éste es aplicado puede tener efectos negativos sobre la 
resistencia a la corrosión del soporte. En el trabajo referido el catalizador fue 
soportado por el método poliol [20]. 
 
Gracias a los beneficios reportados por investigaciones como la de Se Hoon se está 
explorando cada vez más las propiedades de materiales catalíticos con soportes 
tratados de ésta manera, así como lo hace Hyung-Suk Oh y Hansung Kim utilizando 
ácido peroxicarboxilico para agregar los grupos funcionales carboxilo (COOH) a la 
superficie de nanofibras de carbono logrando una buena dispersión así cómo un 
tamaño de partícula de 4-5 nm. El catalizador fue soportado por el método poliol [21]. 
11 
 
1.3. “Decorado” de NTC 
 
Los NTC modificados superficialmente, nanotubos inorgánicos, y nanobarras son de 
gran importancia en varias aplicaciones prácticas, como catálisis, electrocatálisis, 
fotocatálisis, intercambio iónico y adsorción de gases, emisor de electrones y 
producción de nanodispositivos, así como producción de compósitos. “Decoración” 
se refiere a menudo como el proceso de cubrir los nanotubos con una substancia 
que no forma un fuerte enlace químico con los átomos de carbono. Muchos procesos 
de decoración generan una substancia ligada por un enlace químico débil o por 
fuerzas electrostáticas con los nanotubos de carbono. 
 
Los NTC pueden ser decorados con metales (Cu, Ag, Au, Al, Ti, Ni, Pt, Pd), 
aleaciones (Co-B, Ni-Pt, Mo-Ge), no metales (Se), óxidos metálicos (ZnO, CdO, 
Al2O3, CeO2 , SnO2 , SiO2 , TiO2 , V2O5 , Sb2O5 , MoO2 , MoO3 , WO3 , RuO2 , IrO2), 
calcogenuros metálicos (ZnS, CdS, CdSe, CdTe), carburos metálicos (SiC), nitruos 
metálicos (SiNx, AlN), y polímeros (pilianilina, polipirol). La lista de estas substancias 
puede continuar. Es posible preparar los recubrimientos de NTC en forma de puntos 
cuánticos y nanopartículas, nanotubos de aislar o nanobarras y nanocables. La 
estructura superficial de los nanotubos, la estrategia y el alcance de la deposición es 
de gran influencia sobre la morfología del recubrimiento [14]. 
 
1.3.1. Técnicas para el “decorado” de NTC 
 
Numerosas técnicas han sido desarrolladas para la síntesis de NTCdecorados, cada 
una de ellas provee diferentes grados de control en el tamaño y distribución de 
nanopartículas sobre la superficie de los NTC como las que se mencionan a 
continuación: 
Deposición electroquímica: En este método los depósitos son obtenidos por la 
reducción de complejos metálicos. Los NTC no reaccionan con las sales metálicas 
pero actúan como conductor molecular y como soporte para la deposición de 
partículas metálicas. El tamaño y la distribución de las nanopartículas sobre las 
12 
 
paredes de los NTC pueden ser controladas por la concentración de las sales 
metálicas y varios parámetros de deposición electroquímica, incluyendo el potencial 
de nucleación y el tiempo de deposición. Además, el método de deposición 
electroquímica también tiene la ventaja de que las nanopartículas con muy alta 
pureza forman rápidamente una buena adhesión con los NTC. 
Sputtering: La deposición por Sputtering es un método eficiente para la síntesis 
estos materiales, mediante este método, nanopartículas metálicas de tamaño 
uniforme pueden ser convenientemente depositadas sobre la superficie de las 
paredes externas de los NTC haciendo una selección adecuada de los cátodos 
metálicos, controlando la corriente y el tiempo de exposición de la muestra. 
Deposición por irradiación de electrones: Este método tiene la ventaja de permitir 
una reducción y nucleación homogénea, lo cual permite la dispersión de pequeñas 
nanopartículas de tamaños de entre 2.5 y 4 nm. 
Deposición por evaporación: Entre estos métodos se incluye la deposición por 
evaporación térmica y la deposición por evaporación de haz de electrones. Estos 
métodos tienen las ventajas de controlar el tamaño de las nanopartículas metálicas 
sobre la superficie de los NTC variando la temperatura de evaporación y el tiempo 
de deposición [14]. 
 
1.4. Producción de hidrógeno 
 
La producción de energía utilizando el hidrógeno como combustible, se ha propuesto 
en el ámbito internacional como una opción a mediano plazo, para una economía 
energéticamente limpia. Actualmente, se desarrollan nuevas tecnologías para lo 
obtención de hidrógeno, con la finalidad de ser aplicado como vector energético; 
además de permanecer como una importante materia prima para la industria química 
y petrolera. 
 
Los procesos convencionales (tecnologías comercialmente maduras) que durante 
años se han utilizado para la obtención de hidrógeno a gran escala (reformación de 
13 
 
vapor ver Figura 9, gasificación del carbón y oxidación parcial de metano) se han 
visto caracterizados por presentar altos costos de operación, y bajas eficiencias [22]. 
 
Figura 8. Diferentes rutas para la obtención de hidrógeno. 
 
Figura 9. Esquema de reacciones, catalizadores y condiciones de operación del 
proceso convencional de reformación con vapor de agua. 
14 
 
 
Figura 10. Evolución energética a través del tiempo. 
 
En la actualidad, la generación de energía a partir de sistemas convencionales como 
el mencionado anteriormente, aunado a su consumo desmedido forman parte de la 
grave e injustificada contaminación del agua, suelo y medio ambiente. El abuso por 
la sobre-explotación y el uso de los combustibles fósiles ha provocando serios daños 
a los distintos ecosistemas debidos a la emisión de gases contaminantes de efecto 
invernadero. Algunos de los daños más severos que se pueden citar son el 
calentamiento global del planeta, derrames de combustible en el mar, contaminación 
ambiental en las ciudades, etc. 
 
En base a lo anterior, existen razones económicas y ambientales para fomentar el 
uso de fuentes de energías renovables, limpias y que representen una prioridad 
política para los gobiernos de los países desarrollados o en vías de desarrollo. Se 
han propuesto una variedad de combustibles para ayudar a disminuir la 
15 
 
contaminación ambiental y cubrir la demanda de energía requerida por la humanidad. 
Estos combustibles incluyen gasolinas reformuladas, etanol, metanol, líquidos 
sintéticos tal como el dimetil éter extraído del gas natural o del carbón, gas natural 
comprimido e hidrógeno. De todas estas alternativas el hidrógeno es uno de los que 
ofrece el más grande potencial para disminuir la contaminación ambiental y los más 
grandes beneficios para complementar la demanda de energía. Al igual que la 
energía eléctrica, el hidrógeno podría ser una fuente de energía versátil, ya que se 
puede producir de una gran variedad de fuentes primarias de energía renovables 
(energía solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, etc.) y no renovables (petróleo, gas 
natural y carbón). El hidrógeno es uno de los candidatos más importantes para 
utilizarse como combustible en combinación con las celdas de combustible, tanto en 
aplicaciones móviles como en estacionarias. Las celdas de combustible requieren 
hidrógeno de alta pureza; por lo anterior, de los diferentes métodos que existen para 
producirlo, uno de los más atractivos es la electrólisis del agua. El proceso de 
electrólisis se ha utilizado prácticamente desde que se descubrió la electricidad. 
Actualmente, se emplea en un gran número de procesos industriales: el proceso 
cloro-álcali, la galvanoplastia y la generación de hidrógeno y oxígeno, entre los más 
importantes [23]. 
 
1.4.1. Electrólisis del agua 
 
La electrólisis del agua ha sido usada por más de un siglo para producir hidrógeno y 
oxígeno. El concepto de una celda de combustible reversible para aplicaciones 
espaciales está basado en la combinación electrolítica-galvánica, lo que se conoce 
como electrolizador. 
 
Un electrolizador es una celda electrolítica donde se lleva a cabo una reacción 
química no espontanea. En estos sistemas ocurre una reacción electroquímica que 
se alimenta con energía eléctrica de una fuente externa. En un electrolizador se 
alimenta corriente directa a través de dos electrodos (ánodo y cátodo), los cuales 
16 
 
están sumergidos en un electrolito. De manera genera, se llevaran a cabo las 
siguientes reacciones: 
 
En el ánodo el agua se descompone por una reacción de oxidación con la liberación 
de oxígeno, generando electrones que circulan por el circuito externo, dejando iones 
de carga positiva (protones H+), los cuales se difunden a través el electrolito. 
 
Ánodo: H2O(l) → 1/2 H2(g) + 2H
++2e- 
 
En el cátodo se lleva a cabo la reacción de reducción de los protones en la cual en 
presencia de los electrones, se forma hidrógeno molecular en forma gaseosa que es 
liberado. 
 
Cátodo: 2H++ 2e-→H2(g) 
 
La reacción Global en una celda de electrólisis es: 
 
Reacción Global: H2O(l) →H2(g)+1/2 O2(g) 
 
En condiciones de estado estándar (presión 1 atm y 25 °C) el potencial normal de la 
celda electrolítica (E0celda) es la diferencia de los potenciales estándar de la reacción 
catódica o de reducción (E0C) y de la reacción anódica o de oxidación (E
0
A). 
 
E0celda = E
0
C + E
0
A = 0V- 1.23V 
 
Termodinámicamente, el potencial de la celda de -1.23 V indica que la reacción no 
es espontanea, y para que se lleve a cabo la reacción global se requiere, a 
temperatura ambiente, al menos aplicar una diferencia de potencial de 1.23 V para 
cualquier valor de pH. Esto se debe a la diferencia de los potenciales reversibles de 
las dos semirreacciones presentes (evolución de hidrógeno y de oxígeno). La 
aplicación de esa diferencia de potencial reversible (E0celda = 1.23 V) no conduce a la 
17 
 
producción de los gases, pues el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico. 
Para que estos elementos gaseosos sean efectivamente generados, es necesario 
aplicar una diferencia de potencial mayor al voltaje termo-neutral Etn°=-1.48 V 
obteniendo de datos termodinámicos como la entalpía y entropía de reacción. El 
potencial real aplicado para que se lleve a cabo la descomposición del agua 
dependerá de las cantidades de gases que se requieran obtener (corriente total 
circulandopor la celda) y, de forma muy significativa, de los materiales de los 
electrodos utilizados, por medio de su capacidad electrocatalítica, frente a las 
respectivas semirreacciones que se lleva a cabo en cada uno de estos electrodos 
[22]. 
 
La mayor ventaja de la electrólisis es que la generación de hidrógeno es libre de 
carbono, si la electricidad proporcionada es generada nuclearmente o de fuentes 
renovables, como la energía hidráulica, solar, o eólica. Otra ventaja de la electrólisis 
es que el hidrógeno y el oxígeno producido son extremadamente puros, lo que es 
especialmente ventajoso para aplicaciones a baja temperatura donde la mínima 
impureza puede reducir drásticamente el rendimiento de la celda de combustible. 
Aunque discutido aquí como un dispositivo de generación de hidrógeno, la 
electrólisis también produce oxígeno de alta pureza, el cual puede ser usado en una 
celda de combustible o como un producto valioso para otro tipo de aplicaciones. 
 
Otra ventaja de la electrólisis del agua es que es posible producir un producto a una 
presión superior de 20 MPa sin la necesidad de una compresión mecánica, lo que 
reduce enormemente la energía requerida si el hidrógeno producido es usado para 
llenar un tanque de gas a presión. 
 
La electrólisis es un método rentable para la generación a pequeña y mediana 
escala de hidrógeno y oxígeno. Pequeños y locales dispositivos de electrólisis 
pueden ser capaces de sortear las limitaciones de la infraestructura necesaria para 
el uso del hidrógeno. Para la generación a gran escala, la electrólisis no es 
recomendable debido a varios inconvenientes. 
18 
 
 
1. La electrólisis es un proceso ineficiente. La eficiencia de conversión de sólo 
el 65-75% con base en el poder calorífico inferior es posible. Como resultado, 
la electrólisis tiende a ser más costosa que la reformación del gas natural a 
menos que una fuente de electricidad económica esté disponible. 
 
2. La electrólisis requiere una fuente de agua pura, lo que, a nivel global, es un 
recurso escaso. 
 
3. Aunque la producción es libre de carbono si la electricidad deriva de una 
fuente renovable o una reacción nuclear, se necesita una fuente de energía 
eléctrica barata. Muchas de las redes de energía del mundo no tienen la 
capacidad suficiente para proveer la energía adicional requerida, y se 
necesitaría infraestructura eléctrica adicional. 
 
1.4.2. Electrolizadores tipo PEM (Proton Exchange Membrane) 
 
Existen distintos tipos de electrolizadores (ver Tabla 2) pero la mayoría de los 
electrolizadores usados hoy en día a capacidades superiores a miles de m3/h están 
basados en un electrolito alcalino (KOH). Otra opción es usar un membrana de 
intercambio protónico, este polímero conocido como Nafión ha sido usado en 
electrolisis cloro alcalina así como en celdas de combustible. La electrolisis PEM es 
el proceso inverso de una celda de combustible tipo PEM. El agua es dividida en 
oxígeno, los protones (hidrógeno H+) y electrones en el electrodo (ánodo) mediante 
la aplicación de un voltaje mayor al voltaje termoneutral. Los protones pasan a través 
del electrolito polimérico y en el cátodo en combinación con los electrones se forma 
hidrógeno. El paso de los protones a través de la membrana es acompañado con el 
transporte de agua. 
 
 
19 
 
Tabla 2. Tipos de electrolizadores. 
 
TIPO ALCALINO MEMBRANA POLIMÉRICA ÓXIDO SÓLIDO
ÁNODO
NI, FE/NI ALEACIONES
ÓXIDOS METÁLICOS
4OH-O2+2H2O+4E
-
TIO2/RUO2-IRO2
2H2OO2+4H
++4E-
CERAMICA (MN, LA,CR)/NI
2O-2O2+4E
-
CÁTODO
ACEROS + NI/NI-CO
4H2O+4E
-2H2+4OH
-
CARBÓN+PTNI/PTCO
4H++4E-2H2
ZR,NI/CEOX
2H2O+4E
-2H2+2O
-
2
ELECTROLITO
SOLUCIÓN CÁUSTICA
(USUALMENTE KOH 
30%)
MEMBRANA DE
INTERCAMBIO PROTÓNICO
(NAFION)
ZIRCONIO/CERIA DOPADA
MECANISMO DE
TRANSPORTE
ION HIDROXILO, OH- ION HIDRONIO H+
IÓN OXÍGENO, O2-, A 750 C
ION HIDRONIO, H+, A 450 C
EFICIENCIA/TIEMPODE
VIDA
75-90% / 15-20 AÑOS 75-90% / 18 AÑOS 75-90% / EN INVESTIGACIÓN
CONSUMO ENERGÍA
[KWH/NM3(H2)]
4-5 KWH/NM3H2 6 KWH/NM
3
H2 3-3.5 KWH/NM
3
H2
TEMPERATURA ( C) 50 - 100 C 80 - 100 C 800 - 1000 C
PRESION (ATM) 3 – 30 BARS 1 – 70 BARS EN INVESTIGACIÓN
RESPUESTA
LENTO (10-103S), DE
PREFERENCIA TRABAJAR
A CONDICIONES
ESTABLES
RÁPIDO (~ 1S) LOS
GASES APARECEN
INMEDIATAMENTE
DESPUÉS DE APLICAR LA
CORRIENTE ELÉCTRICA
MUY LENTO (104-105S), 
RESTRINGIDO POR LAS
CONDICIONES DE OPERACIÓN, 
COMO ALTAS TEMPERATURA
450 – 1000 C, ASÍ COMO
RESISTENCIA DE LOS
MATERIALES Y FUGAS
COSTO RELATIVO POR
H2 GENERADO
MODERADO (DEPENDE DE
LA ESCALA DE
APLICACIÓN)
MUY ALTO
EN DESARROLLO, ESTUDIOS
SUGIEREN MODERADO ENTRE
EL ALCALINO Y EL PEM
DESARROLLO 1920’S 1980’S
EN PROCESO DE
DESARROLLO
VENTAJAS
TECNOLOGÍA PROBADA. 
EXISTEN
ELECTROLIZADORES DE
ALTA EFICIENCIA Y BAJO
COSTO
ELECTROLITO SÓLIDO, NO
TIENE PARTE MÓVILES NI
LÍQUIDOS CORROSIVOS. 
SE PUEDEN OPERAR A
ALTAS DENSIDADES DE
CORRIENTE. SON
COMPACTOS Y DE
DISEÑOS VARIABLES. 
SALIDA DE LOS GASES A
ALTA PRESIÓN. PUEDE
OPERAR A ALTAS
DIFERENCIAS DE PRESIÓN. 
TECNOLOGÍA PROBADA
ELECTROLITO SÓLIDO, NO
TIENE PARTE MÓVILES NI
LÍQUIDOS CORROSIVOS. USA
ENERGÍA TÉRMICA PARA
REDUCIR EL CONSUMO DE
ELECTRICIDAD (LA ENERGÍA
CALORÍFICA ES MÁS BARATA
QUE LA ELECTRICIDAD). 
REQUERIMIENTOS DE AGUA
MENOS ESTRICTOS EN
FUNCIÓN DE LAS IMPUREZAS. 
SALIDA DE LOS GASES A ALTA
PRESIÓN.
DESVENTAJAS
BAJA DENSIDAD DE
CORRIENTE. EL
ELECTROLITO LÍQUIDO
LIMITA LA RESPUESTA E
INCREMENTA EL
MANTENIMIENTO. SE
NECESITA UN SISTEMA DE
COMPRESIÓN AUXILIAR Y
UN SISTEMA DE
PURIFICACIÓN
ALTOS COSTOS DE LA
MEMBRANA POLIMÉRICA Y
DE LOS ELECTRO-
CATALIZADORES. COSTOS
ALTOS DE MANUFACTURA
DE DISTINTAS PIEZAS. 
UTILIZA AGUA ULTRA
PURA. NO SE ENCUENTRA
DISPONIBLE A LA ESCALA
DE MW
EXISTEN CICLOS TÉRMICOS DE
ARRANQUE Y PAROS, TIEMPOS
DE VIDA LIMITADOS DEBIDO AL
DESGASTE DE MATERIAL Y
SELLOS. ALTAS CONDICIONES
DE OPERACIÓN LIMITA SUS
APLICACIONES. EXISTEN
RIESGOS DE OPERACIÓN
20 
 
Un electrolizador tipo PEM como el mostrado en la Figura. 11 cuenta con una 
membrana polimérica y electrodos porosos, difusor de gases, distribuidores de 
corriente y placas separadoras [24]. 
 
Figura 11. Representación esquemática de un electrolizador tipo PEM. 
 
1.5. Materiales de electrodo (electrocatalizadores) para la evolución de 
hidrógeno 
 
La mayor parte del desarrollo actual en electrolizadores se basa en estudios de 
electrocatálisis en cuanto a evaluación y selección de materiales que catalicen las 
reacciones de desprendimiento de hidrógeno y oxígeno, observando una relación 
entre actividad, estabilidad, eficiencia y economía. 
 
La actividad catalítica entre materiales es generalmente evaluada por comparación 
de la densidad de corriente obtenida a potencial constante o bien por el 
sobrepotencial necesario para mantener una densidad de corriente constante. La 
manera más directa de realizar una comparación electrocatalítica es contrastando 
Agua
Fuente de energía
Ánodo Cátodo
Oxígeno
Electrólisis tipo PEM
Electrolito sólido de Membrana de 
Intercambio Protónico
Hidrógeno
21 
 
los gráficos de Tafel correspondientes a diferentes materiales, dado que la pendiente 
de Tafel es característica del mecanismo de la reacción electródica, se puede 
esperar que para dos materiales diferentes, las líneas de Tafel tengan una pendiente 
diferente y eventualmente puedan interceptarse tal como se muestra en la Figura 12, 
lo que significa zonas alternadas de potencial con actividad mayor o menor para 
alguno de los materiales bajo comparación. 
 
La posición relativa de los gráficos de Tafel puede ser modificada ya sea por factores 
geométricos o electrónicos, mientras que la pendiente de Tafel cambia únicamente si 
el mecanismo se ve modificado, así los gráficos (a) y (b) de la Figura 12 
corresponderían a dos materiales sobre los cuales la reacción electroquímica bajo 
estudio se realiza mediante mecanismos diferentes[25]. 
 
 
Figura 12. Gráficos de Tafel para dos diferentes materiales electrocatalíticos. 
 
Muchos estudios de la reacción de evolución de hidrógeno, con diferentes materiales 
muestran que las pendientes de Tafel, el orden de la reacción y la corriente de 
intercambio dependen fuertemente del material del electrodo. Tal comportamiento 
corresponde a un mecanismo de varios pasos. 
 
22 
 
Ha sido confirmado mediante distintas técnicas que uno de los pasos de la reducción 
de protones es la adsorción de hidrógeno sobre el metal. El hidrógeno adsorbido se 
forma a través de la reacción 
 
A) H+ + M + e- → M – H 
 
 Donde M es un sitio en la superficie del cátodo. Frecuentemente se considera que el 
sitio en el que se adsorbe el protón es un átomo metálico, pero podría ser un 
espacio intersticial. La formación de las especies adsorbidas cambia la energía libre 
de reducción del protón por una cantidad igual a la energía libre de adsorción del 
átomo de hidrógeno, la cual depende fuertemente del material del electrodo y de la 
morfología local de la superficie. El paso posterior a la adsorción de hidrógeno, es 
decir la evolución de hidrógeno, puede ocurrir en dos formas: 
 
B) 2M – H → 2M + H2 
 
C) M – H + H+ + e- → M + H2 
 
En general pueden distinguirse tres tipos de mecanismos para la evolución de 
hidrógeno, es decir, cuando alguna de las reacciones A, B o C es el paso lento. 
 
La Tabla 3 muestra las pendientes de Tafel correspondientes a los distintos 
mecanismos de evolución de hidrógeno, según cuál sea el paso determinante, es 
decir, el más lento [26]. 
 
Tabla 3. Pendientes de Tafel correspondientes a los mecanismos de evolución de 
hidrógeno. 
 
 
Mecanismo 
determinante
Sobrepotencial Pendiente
A todos 120 mV
B Bajo 30 mV
C Bajo 40 mV
23 
 
El comportamiento electroquímico del hidrógeno ha sido ampliamente estudiado 
sobre electrodos de platino, en la Figura 13 se muestra una sección del 
voltamperograma del platino obtenido en una solución de ácido sulfúrico saturada 
con N2. Se pueden observar claramente dos procesos redox en la zona de potencial 
comprendida entre 0 y 0.4 V, la posición de los picos catódicos y anódicos que 
ocurren a prácticamente al mismo potencial en cada proceso indica un fenómeno de 
adsorción y actualmente se sabe corresponden a una adsorción débil y fuerte de H2 
respectivamente sobre la superficie del Pt. El pico más cercano a 0.4 V está 
relacionado con una mayor entalpía de adsorción y es la primera adsorción de 
hidrógeno al llevar a cabo un barrido catódico y es el último en ser eliminado durante 
el barrido anódico, de ésta manera corresponde a una fuerte adsorción de hidrógeno. 
El hidrógeno débilmente enlazado se considera que son átomos de H adsorbidos en 
la superficie del Pt, de tal manera que están claramente expuestos a la solución del 
electrolito, mientras que la forma fuertemente enlazada es hidrógeno adsorbido 
debajo de la capa superficial de átomos de Pt con su electrón en la banda de 
conducción del metal [27]. 
 
 
Figura 13. Volatmperograma cíclico de un electrodo de platino en una solución de 
H2SO4 saturada con N2 mostrando los picos de adsorción y desorción de hidrógeno. 
24 
 
 
Es de esperarse que la evolución de hidrógeno sobre la superficie del platino se 
llevará a cabo de manera más fácil a partir de los átomos de hidrógeno débilmente 
adsorbidos (pico cercano a 0 V) que de los átomos adsorbidos químicamente. El 
concepto de especies débil y fuertemente adsorbidas sobre la superficie de los 
electrodos es fundamental para la comprensión de muchos de los mecanismos 
electrocinéticos sobre todo en reacciones como el desprendimiento de hidrógeno y 
oxígeno las cuales son los procesos involucrados en la electrólisis. 
Las denominadas curvas volcán, dónde se puede interpretar que los mejores 
electrocatalizadores son aquellos sobre los cuales la adsorción, de las especies 
relevantes para la reacción no es ni demasiado débil, ni demasiado fuerte. Las 
curvas volcán son una primera aproximación predictiva en la electrocatálisis y 
podrían representar una importante herramienta (ver Figura 14) de no ser porque los 
valores reales de la fuerza de enlace entre el metal intermediario y el átomo 
adsorbido son raramente conocidos a las condiciones prácticas de funcionamiento 
de una reacción electródica. No obstante, se han podido construir curvas volcán 
aproximadas para algunos sistemas con algunas modificaciones para tomar en 
cuenta cierta energía de interacción experimental cercana o relativa [25]. 
 
Figura 14. Curva volcán para la adsorción de hidrógeno. 
25 
 
 
Los factores cruciales en las celdas de combustible y electrolizadores son los 
electrocatalizadores a utilizarse en el cátodo y en el ánodo. Durante varias décadas, 
se han probado muchos materiales con este propósito para su posible aplicación en 
electrolizadores. El tipo de electrolito y la temperatura de operación son 
características fundamentales al considerar electrocatalizadores efectivos que deban 
ser estables durante la operación del electrolizador. 
Un electrocatalizador es un material que influye en la reacción que se lleva a cabo 
en la superficie del electrodo. Idealmente, un electrocatalizador a considerar para 
una cierta reacción deberá tener la mayor actividad posible y también una buena 
selectividad. Para lo anterior, y ya que la catálisis es un efecto de superficie y por lo 
tanto debe contar con ciertas características como son: 
 
 Área superficial: el material electrocatalítico necesita tener la mayor área 
superficial posible; por lo tanto, el tamaño de partícula, su orientación y su 
dispersión son aspectos fundamentales en su desempeño. 
 
 Propiedades eléctricas: Una alta conductividad eléctrica y capacitancia son 
factores cruciales para la eficiencia catalítica de los materiales, propiedades 
que debe tener tanto el catalizador como el soporte. 
 
 Estabilidad: los materiales deben soportar fenómenos de corrosión y 
contaminación provocados por la presencia de agentes cómo el CO que 
afecta al Pt, así como las condiciones de temperatura generadas por las 
reacciones producidas en el sistema. 
 
El Pt es, en la mayoría de los casos, el principal elemento utilizado en los 
electrocatalizadores, ya sea solo o combinado. Pero debido a su alto costo y a su 
escasez, la tendencia ha sido, en varias décadas, desarrollar materiales con 
actividad catalítica similar o mejor, pero con otros elementos, sustituyendo al platino 
parcial totalmente [26]. 
26 
 
 
Las partículas de Pt altamente dispersas sobre un soporte tal como polvos de 
carbono con una alta área superficial son principalmente utilizadas para reacciones 
de evolución de hidrógeno como para evolución de oxígeno. 
 
La lista de electrocatalizadores que se ha probado con resultados relativamente 
alentadores incluye calcogenuros, macrociclos, complejos, bimetálicos (dos metales 
sobre un mismo soporte pero sin formar aleación), aleaciones ordenadas 
(compuesto intermetálico), aleaciones desordenadas (soluciones sólidas) entre otros. 
Es necesario notar que la mayoría de estos materiales están formados por partículas 
nanométricas. Como es conocido, dicha característica confiere propiedades físicas y 
químicas supriores a los mismos compuestos o elementos que cuando se tiene en 
forma masiva [28]. 
 
En la búsqueda de materiales electrocatalíticos útiles para electrolizadores y celdas 
de combustible, se ha utilizado una considerable cantidad de técnicas de 
preparación, debido a la gran influencia que tiene la síntesis del electrocatalizador 
sobre sus propiedades físicas y químicas y, por lo tanto, en su funcionamiento en la 
superficie de los electrodos. Las propiedades que se buscan al preparar 
electrocatalizadores son, entre otras: gran área superficial, orientación cristalográfica 
preferencial, distancia interatómica favorable,efectos electrónicos que proporcionen 
la reacción deseada, estabilidad en el electrolito utilizado, etc. 
 
Los métodos de preparación influyen en las propiedades de los electrocatalizadores, 
por lo que se han ensayado una diversidad de técnicas que incluyen procesos tales 
como: impregnación, precipitación, reducción, deposición descomposición, 
disolución, formación de complejos, adsorción, sinterización, fusión, electrodepósito 
sputtering, tratamiento térmico, aleado mecánico ó molienda de alta energía, 
deposito químico en fase vapor (térmico o con plasma) y otros. 
 
 
27 
 
1.5.1. Métodos de síntesis de electrocatalizadores 
 
Síntesis química: Es la metodología más utilizada debido al gran número de 
combinaciones de procesos que pueden incluirse para preparar un electrocatalizador 
específico. Prácticamente, para sintetizar cualquier electrocatalizador, el diseño de 
experimentos tiene que adecuarse según los elementos involucrados, precursores 
utilizados, agentes reductores, condiciones de temperatura, pH, etc. Uno de los 
métodos más conocidos de éste tipo es el proceso sol gel. 
 
Electrodepósito: Es el proceso de producir un recubrimiento, generalmente 
metálico, sobre una superficie por la acción de la corriente eléctrica. El depósito de 
un recubrimiento metálico sobre un objeto se logra poniendo una carga negativa en 
el objeto a ser recubierto y sumergirlo en una solución que contiene una sal del 
metal a depositar (en otras palabras, el objeto a recubrir es el cátodo de una celda 
electrocatalítica). Los iones metálicos de la sal llevan una carga positiva y así son 
atraídos hacia el objeto cuando alcanzan el electrodo cargado negativamente, éste 
suministra electrones para reducir los iones cargados positivamente a la forma 
metálica. 
 
Incorporación en fase vapor (IFV): El proceso de incorporación en fase vapor (IFV) 
consiste básicamente en una modificación de la técnica de CVD, en la cual existen 
dos etapas principales: en la primera etapa el sustrato nano-dividido (nanotubos de 
carbono) es impregnado con vapores del precursor metal-orgánico dentro de un 
reactor en vacío. En la segunda etapa la temperatura del sustrato nano-dividido es 
incrementada para provocar la descomposición química del precursor impregnado y 
promover la formación de nano partículas en la superficie del sustrato. Este método 
ha reportado una alta dispersión de las partículas metálicas y tamaños de partícula 
menores a 5 nm. Estas características lo hacen especial al compararlo con otras 
técnicas de incorporación de partículas [17]. 
 
En general, la morfología y estructura del depósito dependen de diferentes variables 
28 
 
que ocurren en el proceso IFV, como son: las reacciones, velocidad del depósito, 
transporte de masa, temperatura de depósito y presión dentro del reactor. 
 
Aleado mecánico: El aleado mecánico (AM) es un proceso industrialmente 
adecuado para preparar materiales con propiedades físicas y químicas especiales, 
ya que con ésta técnica es posible sintetizar compuestos con tamaño de partícula 
nanométrico: súper óxidos, aleaciones que con los métodos tradicionales térmicos 
es difícil o no es posible preparar, materiales fuera del equilibrio, etc. 
 
Este proceso tiene dos inconvenientes principales: el primero es la posible 
contaminación de la muestra, con partículas provenientes de los medios de molienda 
por los impactos propios de este proceso. El segundo es que los polvos procesados 
por AM tienden a aglomerarse, lo que origina un área superficial baja y, por lo tanto, 
su aplicación para electrocatálisis puede ser cuestionable, debido a que esto 
ocasiona una baja actividad. El primer inconveniente puede subsanarse, en algunos 
casos, con medios de molienda del mismo material que la muestra procesada. El 
segundo se puede compensar por la adición de un agente dispersante que pueda 
eliminarse en una etapa posterior al AM y la aleación final tendrá un área superficial 
mucho mayor [22]. 
 
1.5.2. Investigaciones recientes 
 
Actualmente se investiga mediante distintos métodos de síntesis, combinaciones de 
varios metales o también probando otros soportes con tratamientos especiales. 
 
Por ejemplo, la síntesis de catalizadores de Pt-Ni sobre NTC, donde los NTC fueron 
sintetizados por pirolisis en espray de tolueno, usando ferroceno y niqueloceno como 
agentes catalíticos. Las partículas de Pt fueron depositadas usando ultrasonido 
asistido por el método de depositación acuosa, seguido ya sea por reducción térmica 
ó reducción química [29]. 
 
29 
 
El Pt presenta un tamaño de partícula entre 4 y 8 nm aunque es importante 
mencionar la existencia de partículas de 20-22 nm posiblemente producto del Ni 
residual proveniente de la síntesis de los nanotubos de carbono. 
 
Otra investigación emplea nanopartículas de Ru85Se15 soportado sobre carbón 
vulcan comercial y NTC sintetizados por microondas apoyado por el método poliol 
con diferentes concentraciones de pH. Las nanopartículas soportadas de Ru85Se15 
tratadas en ácido cítrico y preparadas a un pH=7 mostraron la mayor distribución de 
partícula y fueron aplicados a la reacción de reducción de oxígeno [30]. 
 
Diferentes materiales se han probado para éste tipo de reacciones sobre todo para 
reducir la utilización de metales preciosos en el proceso de la electrólisis del agua, 
así como la aplicación de tratamientos para modificar las propiedades superficiales 
de los NTC. Un ejemplo es la utilización al 10% de una mezcla metálica de Co:Ru = 
1:1 wt., Co:Ru = 4:1wt. y Co:Ru:Pt = 4:0.5:0.5 wt, 18% de TiO2 en la fase de anatasa 
depositada sobre los NTC. Previamente, los NTC fueron activados en ácido nítrico al 
28% [31]. 
 
 Las nanofibras de carbono (NFC) y los NTC se han comparado con respecto al 
carbón vulcan en su desempeño como soporte de partículas de Pt. Las NFB y los 
NTC han mostrado tener mayor estabilidad química y electroquímica, aunque no 
demostraron tan buena densidad de corriente inicial como la observada en el 
catalizador soportado en carbón vulcan. [20]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
30 
 
II. DESARROLLO EXPERIMENTAL 
 
En la Figura 15 se presenta el diagrama de bloques del desarrollo experimental que 
se siguió en el desarrollo de esta tesis. 
 
 
Figura 15. Representación esquemática del desarrollo experimental. 
Soporte (NTC)
Procedimiento de funcionalización
con H2SO4 y HNO3
Precursor de Platino
(CH3-COCHCO-CH3)2Pt
Mezclado y Homogeneización 
de NTC y Precursor de Pt
en un mortero de ágata 
durante 15 min
Sublimación
Descomposición
Proceso de 
incorporación 
en fase vapor
Caracterización
Raman
DRX
MEB-AR
Voltametría cíclica
Voltametría lineal
ElectrocatalíticaEstructural y morfológica
Temperatura: 180° C
Tiempo: 10 min
Temperatura: 400° C
Tiempo: 10 min
Vacío: 100 Torr
Flujo de argón: 100 cm3/min
Soporte (f-NTC)
Evolución de H2
TérmicaQuímica
DSC
TGA
FTIR
EDS
TEM
31 
 
2.1. Procedimiento de funcionalización de los NTC 
 
Para funcionalizar los NTC se utilizó el procedimiento que se muestra en la Figura 16. 
 
Figura 16. Representación esquemática del procedimiento para funcionalizar los NTC. 
 
1) Se coloca la cantidad deseada de NTC a funcionalizar en un matraz 
Erlenmeyer o vaso de precipitados. 
2) Se agrega el agua destilada en la proporción correspondiente a la cantidad de 
NTC presentes. La Tabla 4 muestra la relación de NTC y reactivos empleados 
para su funcionalización. 
3) Se agrega cuidadosamente el ácido sulfúrico (98.2% de pureza) por las 
paredes del recipiente y posteriormente el ácido nítrico (69.2% de pureza). 
4) Se coloca la solución dentro del baño ultra sónico (35 KHz) aproximadamente 
2 h a temperatura ambiente. Si se cuenta con un sonicador bastarán 15 
minutos para realizar la funcionalización. 
5) Se filtran los nanotubos en embudo o al vacío, se enjuagan aproximadamente 
5 veces con abundante agua y se dejan secaren una mufla a 80 °C por 24 h. 
Agua 
destilada
NTC-f
H2SO4 seguido de HNO3
Agua 
destilada
Mufla
Secado
Fucionalización
t= 2h
T= ambiente
Baño ultra sónico: 35 KHz
T= 80°C
T= 24 h
Solución 
ácida
NTC-f
NTC
Filtrado
Lavado
(5 veces)
32 
 
Tabla 2. Proporción de materiales para la funcionalización de los nanotubos. 
 
 
2.2. Incorporación de las partículas de Pt sobre los NTC 
 
El quipo empleado para la incorporación de las partículas de Pt se ilustra 
esquemáticamente en la Figura 17. El equipo consta básicamente de un tubo de 
cuarzo, resistencias eléctricas, sistema para inyección de gas de arrastre, sistema 
de vacío, termopar y un reactor de cuarzo con membrana porosa. 
 
Figura 17. Representación esquemática del equipo para la incorporación de partículas 
de Pt. 
 
Como precursor se usó el compuesto metalorgánico acetilacetonato de platino 
[(CH3-COCHCO-CH3)2Pt Aldrich, 97%]. Los NTC donde se incorporaron las 
partículas de Pt se utilizaron en dos diferentes condiciones; NTC sin funcionalizar y 
NTC funcionalizados (f-NTC). La Tabla 5 muestra la identificación de los materiales 
de acuerdo a su contenido de platino incluyendo al electrocatalizador comercial E-
tek que será usado posteriormente como punto de comparación en la evaluación 
electrocatalítica. 
Nanotubos de 
carbono (mg)
Agua destilada (ml) Ácido Sulfúrico (ml) Ácido Nítrico (ml)
Baño ultra sónico 
(h)
100 500 30 10 2
Vacío
Termopar
Gas Argón
Resistencias eléctricas
Reactor de cuarzo con membrana porosa
Tubo de cuarzo
33 
 
Tabla 3. Identificación de materiales. 
 
 
La cantidad de Pt adicionada en relación a los NTC se estimó en 10 y 20 % en peso. 
El cálculo de la cantidad de precursor de Pt en relación a NTC para lograr el 
contenido deseado se muestra a continuación: 
PM Pt = 195.1 g/mol PM Pt acac = 393.31 g/mol 
 
 
 
 
 
 
Para una muestra que contenga un estimado de 10 % en peso de Pt y tomando 1 g 
de material como base de cálculo: 
 
 
 
 
 
 
Considerando que sólo el 49.6 % del precursor es Pt: 
 
 
 
 
 
 
Considerando la pureza del precursor que es del 97 %: 
 
 
 
 
 
 
0.210 g del precursor que por último se mezclarán con 0.90 g de NTC 
Contenido de Pt (%) Funcionalizado Identificación
10 No Pt10/NTC
20 No Pt20/NTC
10 Si Pt10/f-NTC
20 Si Pt20/f-NTC
10 - E-tek
34 
 
Las partículas del precursor de Pt y NTC fueron mezcladas y homogeneizadas 
mecánicamente en un mortero de ágata durante 15 min. Después se colocó la 
mezcla dentro del reactor de cuarzo con membrana porosa y éste se introdujo al 
tubo de cuarzo a la temperatura de 180 °C durante 10 min con una presión de 3-7 
Torr. Inmediatamente que se completó el paso anterior, la mezcla fue llevada a la 
posición donde la temperatura es de 400 °C, conservando el vacío y en esta ocasión 
aplicando un flujo de Ar de 100 cm3/min durante 10 minutos. Las condiciones del 
proceso de incorporación de las partículas de Pt están resumidas en la Tabla 6. 
 
Tabla 4. Condiciones de la incorporación de las partículas de Pt. 
 
 
2.3. Técnicas de caracterización 
 
Se utilizaron distintas técnicas para caracterizar y evaluar las propiedades de los 
materiales Pt/NTC: Espectroscopía Infrarroja (IRTF-RTA), análisis Termo-
Gravimétrico (ATG), difracción de rayos X (DRX), Espectroscopía Raman, 
microscopía electrónica de barrido de alta resolución (MEB-AR)m microscopía 
electrónica de transmisión (MET), voltametría cíclica y voltametría lineal. 
 
2.3.1. Espectroscopía Infrarroja (IRTF-RTA) 
 
Para investigar la naturaleza de los grupos funcionales en la superficie de los NTC 
se empleó la técnica de IRTF -TRA. Se utilizó un equipo Thermo Electron Nicolet 
380 en un rango de 400 a 4000 cm-1. 
 
 
 
Temperatura de 
evaporación del 
precursor de Pt (°C)
Formación de 
las partículas 
metálicas (°C)
Presión (Torr)
Flujo de Ar 
(cm3/min)
180 400 100 100
35 
 
2.3.2. Análisis Termo-Gravimétrico (ATG) 
 
Para conocer el comportamiento térmico de los materiales se hizo el análisis Termo-
Gravimétrico y de Flujo de Calor. Se utilizó el equipo SDT Q600 TA INSTRUMENTS 
con una velocidad de calentamiento de 10°C/min desde 30 °C hasta 700 °C en una 
atmósfera de nitrógeno con crisoles de alúmina. Se utilizaron aproximadamente 5 
mg de muestra en cada análisis. 
 
2.3.3. Difracción de Rayos X (DRX) 
 
Para conocer las características cristalográficas de los materiales Pt/NTC se utilizó la 
técnica DRX. Los patrones de DRX se obtuvieron en un difractómetro marca 
BRUKER, modelo D8 FOCUS equipado con un detector de alta velocidad Lynx Eye 
y una radiación Cu Kα. Los patrones DRX se obtuvieron a una velocidad de 8 °/min, 
a 35 kV y 25 mA y con un incremento de 0.02 °. 
 
2.3.4. Microscopía Electrónica de Barrido y de Transmisión de Alta Resolución 
(MEB-AR, MET) 
 
Para observar la distribución, el tamaño y la morfología de las partículas de Pt 
incorporadas a los NTC se utilizó un microscopio electrónico de barrido marca JEOL, 
modelo JSM-6701F y un microscopio electrónico de transmisión marca JEOL modelo 
JEM-2200FS. 
 
2.3.5. Raman 
 
Para conocer las características estructurales y la calidad de los NTC, así como el 
efecto de la funcionalización e incorporación de las partículas de platino sobre ellos, 
se utilizó la técnica de espectroscopía Raman. Se utilizó el equipo marca HORIB 
AJOBIN YVON, modelo Labram HR 800 con tres líneas de excitación láser: 532 nm 
(43.4 mW), 633 nm (83.3 mW) y 785 nm (56.7 mW) 
 
36 
 
2.3.6. Evaluación electrocatalítica 
 
Preparación de tintas 
Para la evaluación electrocatalítica se prepararon tintas (suspensiones) de cada 
material Pt/NTC en un vial de 5 ml. Se agregó 1 mg de muestra, 400 µl de alcohol 
etílico, 20 µl de agua destilada y 8µl de Nafión. Posteriormente, para dispersar las 
partículas, se introdujo la sonda del sonicador Hielscher modelo UIP200Ht (ver 
Figura 18) dentro del vial, procurando no entrar en contacto con las paredes del 
recipiente. La sonicación dentro del vial provoca calentamiento, y si la temperatura 
alcanza valores muy altos (alrededor de 100 °C) el Nafión agregado podría 
degradarse, es por eso que se aplicó la sonicación en intervalos de 
aproximadamente 3 segundos (5 veces aprox.) hasta que se obtuvo la dispersión 
deseada. 
 
Figura 18 Sonicador Hielsher UIP200Ht. 
 
Voltametría Cíclica y voltametría lineal 
Las técnicas de voltametría cíclica y voltametría lineal se utilizaron para evaluar el 
desempeño electrocatalítico de los materiales Pt/NTC en la reacción de evolución de 
hidrógeno. Se utilizó una celda electroquímica de tres electrodos; electrodo de 
sulfatos (E=0.68 V/ENH [Electrodo Normal de Hidrógeno]) como electrodo de 
37 
 
referencia, titanio platinado como electrodo auxiliar y la tinta de los materiales 
Pt/NTC como electrodo de trabajo. La ventana de potencial explorada en la 
voltametría cíclica fue de 0 a 1.2 V. Para realizar una limpieza y la activación de la 
superficie del material se utilizó una velocidad de barrido de 100 mV s-1. Las 
mediciones de voltametría cíclica se llevaron a cabo después del decimo ciclo de 
activación a una velocidad de 50 mV s-1. La voltametría lineal se aplicó en el 
intervalo de -0 a -0.62 V a velocidades de 20 mV s-1. 
 
Las respuestas de las técnicas fueron procesadas con ayuda del software General 
Purpose Electrochemical Software (GPES versión 4.4). Los potenciales en la 
Sección de Resultados son reportados con respecto al electrodo normal de 
hidrógeno (ENH). 
 
Las mediciones electroquímicas se realizaron con ayuda del electrodo de disco 
rotatorio (EDR) con un rotor Pine a una velocidad de rotación de 1700 rpm, 
sumergido en un electrolito de ácido sulfúrico 0.5 M, a temperatura ambiente. El 
EDR estuvoconectado al Potenciostato-Galvanostato Autolab 30-2 según se 
muestra esquemáticamente en la Figura 19. 
 
 
 
Figura 19. Representación esquemática del sistema utilizado en la evaluación 
electrocatalítica. 
 
ER
EDR
ET = ELECTRODO DE TRABAJO
ER = ELECTRODO DE REFERENCIA
EA = ELECTRODO AUXILIAR (CONTRA ELECTRODO)
EDR = ELECTRODO DE DISCO ROTATORIO
COMPUTADORA
EA
ET
POTENCIOSTATO/GALVANOSTATO
38 
 
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
3.1. Espectroscopía Infrarroja (IRTF-RTA) 
 
La Figura 20 muestra los espectros IRTF (a) del precursor de platino (Pt-acac), (b) 
los nanotubos funcionalizados (f-NTC) y (c) la mezcla f-NTC + precursor de platino 
después de ser sometida a un calentamiento a 180 °C. Las bandas presentes a 
1520 y 1553 cm-1 en el espectro IRTF del precursor (a) han sido asociadas al enlace 
C=O, que cuyo oxígeno es el enlace entre el Pt y el ligando acac. [32], mientras que 
las bandas ubicadas en el intervalo 650-1050 cm-1 pueden ser asignadas a los 
enlaces característicos que constituyen el ligando acac. Las bandas de mayor 
intensidad a 1753, 1364 y 1214 cm-1 en los espectros IRTF de los f-NTC (b) 
corresponden a las vibraciones de estiramiento del enlace carbonilo (C=O) del grupo 
funcional carboxilo indicando la presencia de estos grupos en la superficie de los 
nanotubos. En el espectro IRTF de la mezcla f-NTC + precursor de platino (c), no se 
observan las bandas asociadas con el precursor de Pt ni las bandas asignadas a los 
grupos funcionales carboxilo lo que sugiere una fuerte interacción entre los grupos 
funcionales y el precursor a 180 °C. El calentamiento a 180 °C presumiblemente 
promueve el reemplazamiento del enlace entre el Pt y el ligando acetilacetonato por 
un nuevo enlace entre el Pt y el oxígeno del grupo funcional. 
39 
 
 
Figura 20. Espectros IRTF de: (a) del precursor de platino (Pt-acac), (b) los nanotubos 
funcionalizados (f-NTC) y (c) la mezcla f-NTC + precursor de Pt después de ser 
sometida a un calentamiento a 180 °C. 
1800 1600 1400 1200 1000 800 600
C-H
 
1753
 1214
1364
1520
1553 C=C-HC-H
C-H
CH
3
-O
C-C
C-H
No. de onda (cm
-1
)
Pt-acac
C=O
(a)
T
ra
n
s
m
it
a
n
c
ia
 (
%
)
f-NTC
C=O
C-H
C-O
(b)
(c)Pt/f-NTC (180 °C)
C-O
C-C C-O
40 
 
3.2. Análisis Termo-Gravimétrico (ATG) 
 
La Figura 21 presenta el análisis térmico (a) del precursor Pt-acac y (b) de la mezcla 
Pt-acac + f-NTC. Para el precursor Pt-acac, el principal evento de pérdida de peso 
se presenta en el intervalo de temperatura 200-270 °C (70 % en peso). Esta 
pérdida de peso puede estar asociada a la sublimación del compuesto Pt-acac, ya 
que un pico endotérmico acompaña a este evento. En contraste, la mezcla Pt-acac + 
f-NTC muestra una pérdida de peso menor (~30%) en el intervalo 175-250 °C 
relacionada a un evento exotérmico. Este evento exotérmico implica probablemente 
la descomposición del precursor Pt-acac así como la descomposición de los grupos 
funcionales carboxilo, consistentemente con los resultados FT-IR de la mezcla Pt-
acac + f-NTC tratada a 180 °C (Figura 20c). La Figura 21c muestra que los f-NTC no 
exhiben pérdida de peso en el intervalo investigado (Tamb - 650 °C en atmósfera de 
N2). 
 
Los resultados anteriores sugieren una fuerte interacción entre el precursor Pt-acac y 
los grupos funcionales presentes en la superficie de los f-NTC en la cual se rompe el 
enlace entre el Pt con el ligando acac y se forma un nuevo enlace entre el Pt y el 
oxígeno del grupo funcional carboxilo. Así, el Pt queda asociado al carbono de los 
NTC a través del oxígeno y el ligando acac se descompone en subproductos 
orgánicos CXHY, que en su mayoría son volátiles de acuerdo a los resultados ATG 
de la Fig. 21b. 
 
41 
 
 
Figura 21. Análisis térmico de: (a) precursor Pt-acac, (b) la mezcla Pt-acac + f-NTC y 
(c) f-NTC. 
 
 
100 200 300 400 500 600
90
92
94
96
98
100
60
70
80
90
100
20
30
40
50
60
70
80
90
100
(c)
(b)
(a)
Temperatura (°C)
ATG 
f-NTC 
f-NTC 
Flujo de Calor 
F
lu
jo
 d
e
 C
a
lo
r 
(W
/g
)
%
 P
e
s
o
ATG 
Pt-acac + f-NTC 
Flujo de Calor 
Pt-acac + f-NTC 
 
Pt-acac 
ATG
Flujo de Calor 
Pt-acac 
0
1
2
3
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
42 
 
3.3. Difracción de rayos X (DRX) 
 
La Figura 22 contrasta los patrones DRX de la incorporación de Pt sobre NTC no 
funcionalizados (Pt/NTC) y funcionalizados (Pt/f-NTC). En la Tabla 7 se comparan 
las posiciones angulares de las reflexiones de la Figura 22a y 21b con las que se 
reportan en la tarjeta PDF 4-0802 correspondiente al Pt. La razonable cercanía de 
las posiciones angulares de las reflexiones reportadas y medidas indican que la fase 
presente sobre los NTC es la estructura fcc del Pt. Las reflexiones de Pt sobre f-NTC 
son más intensas que las reflexiones sobre NTC implicando mayor cantidad de Pt. 
 
 
Figura 22. Patrones DRX de los materiales (a) Pt/NTC y (b) Pt/f-NTC. 
 
20 30 40 50 60 70 80 90
(a)
Pt
10
/NTC
Pt
20
/NTC
In
te
n
s
id
a
d
 (
u
.a
.)
2(Kgrados)



NTC
 
 
(002)

(111)

(200)

(220)

(311)

NTC
Pt




 
20 30 40 50 60 70 80 90
(b)

Pt
10
/f-NTC
In
te
n
s
id
a
d
 (
u
.a
.)
2(Kgrados)

 
 
 







Pt
20
/f-NTC
f-NTC
(002) (111)
(200)
(220) (311)
Pt
 f-NTC
43 
 
Tabla 5. Comparación de las reflexiones de cada material respecto a la 
 tarjeta PDF 4-0802 correspondiente al Pt. 
 
 
3.4. Microscopía electrónica de barrido y de transmisión de alta resolución 
(MEB-AR, MET) 
 
La figura 23, muestra las imágenes MEB-AR de: (a) NTC, (b) f-NTC, (c) Pt10/NTC y 
(d) Pt10/f-NTC. Mientras que las Figuras 23a y 23b muestran la morfología 
nanotubular del carbono, las Figuras 23c y 23d revelan la presencia de partículas de 
Pt uniformemente distribuidas sobre la superficie de los NTC. Se puede notar que las 
partículas de Pt sobre los nanotubos funcionalizados presentan un tamaño de 
partícula menor y una dispersión más homogénea en contraste con las partículas 
soportadas en los nanotubos no funcionalizados. Esta diferencia puede estar 
asociada con el mecanismo de formación de partículas de Pt cuando existen grupos 
funcionales sobre los NTC. Es decir, los grupos funcionales pueden actuar como 
sitios activos de interacción con el precursor Pt-acac que llevan a una mejor 
dispersión y menor tamaño de las partículas de Pt. 
 
Ángulo 2θ[°]
Reflexión PDF 4-0802 Pt10/NTC Pt20/NTC Pt10/f-NTC Pt20/f-NTC
(111) 39.765 39.8709 39.8709 39.8502 39.8258
(200) 46.244 46.2028 46.3269 46.3251 46.2871
(220) 67.456 67.7665 67.7464 67.845 67.9513
(311) 81.289 81.7445 81.664 81.695 81.4539
44 
 
 
Figura 23. Imágenes MEB-AR de: A) NTC, B) f-NTC C) Pt10/NTC, D) Pt10/f-NTC. 
 
La Figura 24 muestra una imagen MET de Pt10/f-NTC. Se puede observar una alta 
dispersión de nanopartículas de Pt sobre la superficie del nanotubo funcionalizado. 
La dispersión del tamaño de partícula de Pt es muy pequeña. El tamaño promedio 
de partícula es alrededor de 3 nm como se muestra en el inserto de la Figura 24. 
 
45 
 
 
Figura 24. Imagen MET de Pt10/f-NTC. 
 
3.5. Espectroscopía Raman 
 
La Figura 25 presenta los espectros Raman de los NTC y f-NTC. En ambos 
espectros pueden verse tres bandas principales; La banda D que indica la presencia 
de defectos en las paredes y el desorden grafítico que se refiere a la presencia de 
vacancias y/o estructuras no hexagonales (pentágonos, heptágonos etc.) 
conformando las paredes del NTC. La banda G que indica el alto grado de 
cristalinidad o grafitización conforme su intensidad aumenta y la banda G’ que en su 
46 
 
nivel de intensidad es indicativo de nanografito altamente ordenado, compuesto de 
hojas de grafeno o estructuras con defectos sobre la red debido al efecto de la 
curvatura. Al no encontrarse bandas a frecuencias menores a 200 cm-1 (conocidas 
como bandas RBM "Radial BreathingMode" por sus siglas en inglés) se descartó la 
presencia de NTC de pared simple. 
 
Los NTC exhiben un ensanchamiento en la base de la banda D que aparece en el 
intervalo de 1000-1400 cm-1 así como un valle menos profundo entre las bandas D y 
G asociados a la presencia de impurezas tales como carbono amorfo. En contraste, 
la banda D en el espectro de los f-NTC es más aguda y así mismo el valle entre las 
bandas D y G se encuentra más cercano a la línea base del espectro indicando 
menor cantidad de impurezas. La relación entre las intensidades de las bandas D y 
G (ID/IG) es de 0.68 para NTC y de 0.55 para f-NTC lo cual sugiere que el tratamiento 
de funcionalización también fue efectivo para remover impurezas (partículas 
catalíticas y/o carbono amorfo) ya que mientras más bajo sea el valor de esta 
relación es menor la cantidad de impurezas presentes en los nanotubos. 
 
Figura 25. Espectro Raman de NTC y f-NTC. 
200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000
In
te
n
s
id
a
d
 R
a
m
a
n
 (
u
.a
.)
Desplazamiento Raman (cm
-1
)
f-NTC
 
NTC
 
 
D
G G'
D
G
G'
47 
 
 
La Figura 26 presenta los espectros Raman de los NTC con partículas de Pt 
soportadas; Pt10/NTC y Pt10/f-NTC. En este caso, ambos espectros muestran 
ensanchamiento de la banda D asociado a la presencia de defectos. Particularmente 
la banda D en los materiales Pt10/f-NTC presenta mayor ensanchamiento. 
Aparentemente estas características indican mayor cantidad de defectos en estos 
materiales, lo cual puede estar asociado a la presencia de las partículas de Pt como 
impureza de los NTC, en mayor proporción en los f-NTC, consistentemente con los 
resultados DRX. 
 
 
 
Figura. 26. Espectro Raman de Pt10/NTC y Pt10/f-NTC. 
 
 
 
 
 
200 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000
D
 
 Desplazamiento Raman (cm
-1
)
 
G'
G
G'G
 
In
te
n
s
id
a
d
 R
a
m
a
n
 (
u
.a
.)
 
 
Pt
10
/f-NTC
Pt
10
/NTC
D
48 
 
3.6. Caracterización electrocatalítica 
 
3.6.1. Voltametría cíclica 
 
En la Figura 27 se muestran los voltamperogramas cíclicos de Pt10/NTC, Pt10/f-NTC 
y el catalizador comercial E-tek. 
 
 Las mediciones fueron efectuadas a temperatura ambiente con velocidades de 
barrido de 50 mV s-1 dentro del intervalo donde se presenta la adsorción y desorción 
de hidrógeno. Como punto de comparación se evaluó igualmente el catalizador 
comercial E-tek (10 % Pt). 
 
Los picos correspondientes al proceso de adsorción/desorción de protones se 
encuentran en el rango de potencial de 0.00 V a 0.35 V. Comparado con el 
catalizador comercial E-tek, los catalizadores sintetizados sobre NTC y f-NTC 
muestra picos considerablemente más intensos aunque el proceso de adsorción de 
protones inicia antes en el catalizador E-tek, sin embargo, éste es superado por los 
catalizadores sintetizados, aproximadamente a ~0.063 V 
 
Lo anterior podría ser causado por la alta dispersión sobre la superficie de los 
nanotubos así como el tamaño de partícula de Pt en los mismos. 
 
49 
 
 
Figura 27. Voltamperograma s cíclicos de los materiales evaluados a temperatura 
ambiente y a una velocidad de 50 mV s-1. El inserto muestra con más detalle los picos 
característicos de la adsorción/desorción de protones de H. 
 
3.6.2. Voltametría lineal 
 
En la Figura 28 se observa la respuesta electrocatalítica de los materiales en el 
rango de potencial donde se presenta la evolución de hidrógeno, a una velocidad de 
20 mV s-1 . 
 
Comparando la densidad de corriente obtenida a un potencial constante se aprecia 
que los materiales sintetizados prácticamente igualan el desempeño del 
electrocatalizador comercial E-tek. 
 
0.0 0.5 1.0
-10
-5
0
5
 Pt
10
/f-NTC
 Pt
10
/NTC
 E-TEK (10% Pt)
E/V (ENH)
I 
(m
A
 c
m
-2
)
0.00 0.05 0.10 0.15
-5
0
E/V (ENH)
I 
(m
A
 c
m
-2
)
50 
 
Al igual que en la voltametría cíclica lo anterior puede ser consecuencia de la 
dispersión homogenea de Pt sobre la superficie de los nanotubos y el tamaño de 
partícula alcanzado. 
 
 
Figura 28. Voltamperograma lineal de los materiales evaluados a temperatura 
ambiente y a una velocidad de 20 mV s-1. 
La Figura 29 muestra la gráfica de Tafel junto con su respectiva regresión lineal. 
 
La regresión lineal es necesaria para obtener información del efecto electrocatalítico 
de cada material y sus correspondientes parámetros electroquímicos (pendiente de 
Tafel b, coeficiente de transferencia de carga  y la corriente de intercambio io) 
presentados en la Tabla 8. 
 
-0.6 -0.4 -0.2 0.0
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
 Pt
10
/f-NTC
 Pt
10
/NTC
 E-TEK (10% Pt)
I 
(m
A
 c
m
-2
)
E/V (ENH)
51 
 
 
Figura 29. Gráfica de Tafel y regresión exponencial de E-tek, Pt10/NTC y Pt10/f-NTC. 
 
Tabla 6. Parámetros cinéticos de la reacción de evolución de hidrógeno 
correspondientes a cada material. 
 
El valor de la pendiente de Tafel b en el material comercial E-tek sugiere que el paso 
determinante en el proceso es: 
 
B) 2M – H → 2M + H2 
 
que representa la desorción química de los protones en la superficie del catalizador 
para formar Hidrógeno molecular. 
1
10
100
1000
-0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0
lo
g 
I (
m
A
 c
m
-2
)
E/V (ENH)
E-TEK (10% Pt) Pt10/NTC Pt10/f-NTC
y = 2.3979e-79.57x
R² = 0.9684
y = 4.6721e-64.85x
R² = 0.9582
y = 6.6956e-56.19x
R² = 0.9595
1
10
100
-0.045 -0.04 -0.035 -0.03 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0
lo
g 
I (
m
A
 c
m
-2
)
E/V (ENH)
E-TEK (10% Pt) Pt10/NTC Pt10/f-NTC
b (V dec-1) coef.transf. io mA cm-2
E-tek -0.0289 2.0456 2.3979
Pt10/NTC -0.0355 1.6672 4.6721
Pt10/f-NTC -0.0409 1.4445 6.6956
52 
 
Con lo que respecta al material Pt10/NTC, presenta una pendiente de Tafel b con 
valor de -0.0355 V dec-1 y tomando como criterio la cercanía que tiene en la gráfica 
al desempeño del material E-tek, se concluye que comparten el mismo paso 
determinante B). 
 
En cambio la pendiente de Tafel b en el material Pt10/f-NTC indica que el mecanismo 
determinante es: 
 
C) M – H + H+ + e- → M + H2 
 
que es una desorción electroquímica y la transferencia de electrones depende del 
potencial. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
53 
 
IV CONCLUSIONES 
 
En este trabajo se incorporaron partículas de Pt sobre la superficie de los NTC. Las 
conclusiones derivadas de este trabajo son: 
 
1. Se consiguió la funcionalización de los nanotubos de carbono. 
 
2. Con el método IFV fue posible obtener partículas de Pt con tamaño promedio 
de 3 nm altamente dispersas sobre la superficie de los NTC. 
 
3. El mecanismo de incorporación de partículas de Pt por el método IFV se 
puede resumir como de la siguiente manera: La primera etapa de 
calentamiento a 180 °C promueve el remplazamiento del enlace entre el Pt y 
el ligando acac por un nuevo enlace entre el Pt y el oxígeno del grupo 
funcional. La segunda etapa de calentamiento a 400 °C promueve la 
descomposición de los grupos orgánicos provenientes de la descomposición 
gradual del acac en la primera etapa y la formación y crecimiento de las 
partículas de Pt. 
 
4. El desempeño electrocatalítico de las nanopartículas de Pt sobre los NTC fue 
comparable al material comercial E-tek. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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REFERENCIAS 
 
[1] Terrones Mauricio, SCIENCE AND TECHNOLOGY OF THE TWENTY-FIRST 
CENTURY: Synthesis, Properties, and Applications of Carbon Nanotubes, 
Advanced Materials Department, IPICyT, Av. Venustiano Carranza 2425-A, 
Colonia Bellas Lomas, 78210 San Luis Potosí, SLP, México (2003). 
[2] Gomes de Souza Filho Antônio, Departamento de Física, Universidade Federal 
do Ceará, Brasil, Binotto Fagan Solange, Área de Ciências Naturais e 
Tecnológicas, Centro Universitario Franciscano, Santa Maria – RS, Brasil, 
Funcionalização de Nanotubos de Carbono (2007). 
[3] Balasubramanian Kannan and Burghard Marko, Chemicaly Functionalized 
Carbon Nanotubes, Nano Small Micro