Escalado de la producción de nanomateriales de grafeno/óxidos metálicos para su uso como electrodos en supercondensadores

Resumen

En la presente memoria de Tesis Doctoral convergen diferentes temáticas de interés en la actualidad: almacenamiento de energía, ciencias materiales y escalado de procesos de producción de nanomateriales. El objetivo de esta Tesis Doctoral consiste en estudiar y optimizar la relación existente entre los parámetros de preparación de nanomateriales con sus propiedades de almacenamiento de energía a escala de laboratorio, con el fin de replicar dicha relación a escala de planta piloto, partiendo de la hipótesis de que la comprensión y el control de los procesos nos permitirá obtener los nanomateriales objetivo bajo los parámetros de calidad impuestos. A nivel industrial existen pocos procesos de producción de nanomateriales híbridos, puesto que las síntesis más estudiadas presentan carencias de reproducibilidad y de control en escalas mayores del laboratorio. Los estudios a escala de planta piloto son esenciales para comprender los mecanismos físico-químicos y la dinámica de flujo de los procesos. Los nanomateriales escogidos para este trabajo son testados como material de electrodo en supercondensadores. Combinan las características de doble capa electroquímica del grafeno, con los procesos faradaicos que se producen en las nanopartículas de los óxidos de manganeso y zinc. El rendimiento electroquímico de los nanomateriales, que determinará su idoneidad como materiales de electrodo, estará determinado fundamentalmente por su capacitancia, la cual, a su vez, depende de otras características morfológicas de dichos nanomateriales. De forma específica, este trabajo se compone de las siguientes etapas: En primer lugar, se ha realizado una caracterización de todas las materias primas empleadas. Se ha analizado la morfología, área superficial, estructura cristalina y análisis térmico de los grafenos y óxidos, así como un análisis electroquímico de los mismos en electrolitos acuosos, KOH (1 M) y Na2SO4 (1 M). Seguidamente, se abordó la preparación a escala de laboratorio de materiales de electrodo compuestos por grafeno y óxidos metálicos. Se estudiaron tres síntesis diferentes de las cuales se eligió aquella más idónea para su escalado. Esta síntesis permitió obtener materiales con capacitancias específicas hasta tres veces mayores que los materiales comerciales y habitualmente empleados. Posteriormente, se realizó un diseño con los elementos necesarios, el dimensionado y materiales de una instalación que permitiera la obtención de hasta 100 kg/año de los nanomateriales objetivo. Se estudió el escalado de la reacción de síntesis de nanomateriales a partir de grafeno y óxidos metálicos en un reactor tipo tanque agitado de 5 L de capacidad y dotado de un agitador con aspas en forma de hélices. Se analizaron las consecuencias del escalado de la reacción de 100 mL a 5 L y, a continuación, se realizaron estudios previos en el tanque de 100 L. En esta etapa se seleccionaron las condiciones óptimas que permitieron reducir tiempos, volúmenes y energía de forma que se obtuvieron resultados similares a los que se obtenían a nivel de laboratorio siempre que se controlaran las variables de producción. Por último, se evaluaron los costes de producción de la planta piloto y se realizó una estimación económica de una instalación industrial que produjera 5 toneladas anuales de los nanomateriales. Las aportaciones fundamentales de esta tesis han sido: el desarrollo de una metodología de síntesis sencilla que ha permitido la obtención de nanomateriales híbridos con propiedades potenciales para ser empleados como material de electrodo en pseudocondensadores; el diseño de una planta piloto para la producción de hasta 100 kg/año de dichos nanomateriales; la realización de ensayos en la planta piloto con el fin de estudiar la influencia de las variables a mayor escala sobre la reproducibilidad de la síntesis desarrollada y, la estimación de los costes necesarios para una futura ampliación de la instalación.