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Esta Tesis Doctoral trata sobre la funcionalización de materiales carbonosos con elevado contenido de microporosidad con grupos funcionales nitrogenados y su uso como electrodos de supercondensadores y electrocatalizadores de la reacción de reducción de oxígeno. De este modo, este trabajo describe la incorporación de grupos funcionales nitrogenados mediante distintas metodologías en materiales carbonosos de elevada microporosidad (carbones activados y materiales carbonosos nanomoldeados), su caracterización química y electroquímica en distintos electrolitos (orgánicos, acuosos y líquidos iónicos) y su comportamiento en las aplicaciones propuestas.

La presente Tesis Doctoral se centra en el diseño y preparación de materiales carbonosos dopados con nitrógeno para su aplicación como cátodos en la reacción de reducción de oxígeno. Esto se ha realizado a través de dos enfoques. En primer lugar, el enfoque computacional, que ha permitido profundizar en los mecanismos de la reacción, el efecto del pH, así como identificar los grupos funcionales nitrogenados más activos. Por otro lado, este estudio también se ha realizado a través de la síntesis química de estos materiales, empleando tratamientos térmicos de polianilina a diferentes temperaturas y empleando diferentes atmósferas en el tratamiento térmico. Parámetros, tales como porosidad, orden estructural, conductividad eléctrica y, sobre todo, los grupos funcionales nitrogenados, han sido ampliamente caracterizados y estudiados. Posteriormente, el estudio de la actividad catalítica de los materiales carbonosos dopados con nitrógeno sintetizados ha demostrado que todas estas propiedades juegan un papel clave en la catálisis de esta reacción, haciendo especial hincapié en la presencia de heteroátomos y defectos en la matriz carbonosa.

El trabajo realizado en esta tesis ha seguido dos líneas de investigación principales: por un lado, el uso de electrodos monocristalinos de Pt ha permitido realizar estudios fundamentales de la interfase electrodo│disolución, así como de la electrocatálisis de moléculas orgánicas simples (C2) bifuncionalizadas, y por otro lado, el efecto que la estructura superficial ejerce sobre la electrocatálisis de ciertas reacciones se ha aplicado a la síntesis y caracterización de nanopartículas de Pt con forma controlada. Este campo se ha ampliado al estudio de nanocatalizadores bimetálicos y trimetálicos para la ORR. El estudio que aquí se presenta ha profundizado en el conocimiento sobre las relaciones que hay entre estructura superficial – actividad – y estabilidad morfológica y composicional de electrocatalizadores basados en Pt destinados a PEMFCs.

En la presente tesis doctoral se realiza un estudio detallado sobre el mecanismo de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en electrodos monocristalinos de platino. Para ello, se han realizado medidas electroquímicas usando la configuración de electrodo rotatorio de menisco colgante (HMRDE) con superficies con distinta estructura superficial y variando condiciones de la disolución de trabajo como el pH, fuerza iónica o la ausencia o presencia de bromuros. La conclusión principal que se extra de estos experimentos es la posibilidad de la existencia de un punto de bifurcación en el mecanismo, implicando el intermedio OOH, antes de la formación de peróxido de hidrógeno. Además, también se estudia la ORR y la reacción de oxidación de ácido fórmico en electrodos monocristalinos de Pt en presencia de acetonitrilo, como estudio previo al estudio de estas reacciones en disolventes orgánicos con pequeñas cantidades de agua. Por último, se estudia la ORR en un Aza-CMP, lo cual permite obtener información fundamental que se puede aplicar en estudios sobre el mecanismo de la ORR en los sitios activos de materiales de carbón funcionalizados con nitrógeno.