Síntesis, caracterización y aplicaciones de nano y microestructuras de α-Fe₂ O₃, Cr₂O₃ y h-MoO₃ y sus "composites" con formas alotrópicas de carbono

Resumen

Los óxidos semiconductores han generado un creciente interés en los últimos años, debido a sus interesantes propiedades físico-químicas y sus potenciales aplicaciones en el campo de la optoelectrónica, la catálisis y el almacenamiento de energía. También, ha crecido el interés en las propiedades magnéticas de estos materiales, debido, entre otros motivos, a sus prometedoras aplicaciones en dispositivos de almacenamiento magnético o en medicina. En el marco de esta tesis doctoral se ha investigado la síntesis de nanopartículas de ¿-Fe2O3 y Cr2O3 y microestructuras de h-MoO3, así como la fabricación de composites con grafito, grafeno y óxido de grafeno, para conseguir mejorar sus propiedades de cara al desarrollo de aplicaciones en el campo de la optoelectrónica y el almacenamiento de energía en baterías de ion litio. En el caso de las nanopartículas de ¿-Fe2O3, se obtuvieron nanopartículas esféricas con un tamaño promedio inferior a 10 nm y una alta calidad cristalina. Además, en el caso de los composites se observó una distribución homogénea de las mismas sobre las láminas de grafito, grafeno y óxido de grafeno. Tanto las nanopartículas aisladas como sus composites presentan un comportamiento superparamagnético, con fuertes interacciones entre las nanopartículas constituyentes. Las nanopartículas de Cr2O3 presentan una morfología hexagonal-laminar, con tamaños medios comprendidos entre 28 y 45 nm y pocos nanómetros de espesor, y una alta calidad cristalina. Su dispersión sobre formas alotrópicas de carbono también da lugar a composites con distribuciones homogéneas. La caracterización magnética revela, en todos los casos, la presencia de anisotropía de canje (exchange bias, EB), siendo en los composites con grafito y GO en los que este efecto se presenta de manera más acusada, alcanzándose valores de campo de EB de hasta 3200 Oe. En el caso del h-MoO3 obtenemos microrods con morfología hexagonal, con longitudes comprendidas entre 5-20 ¿m y anchuras entre 1-5 ¿m, dependiendo de la temperatura de síntesis. Además, se ha investigado por primera vez la posibilidad de dopar con tierras raras h-MoO3 mediante implantación iónica, escogiéndose el Eu a tal objeto. Se ha podido comprobar, mediante mapas de Raman y PL, que al irradiar las muestras - tanto con un láser UV (325 nm) cómo con uno rojo (633 nm)- se puede conseguir una activación óptica local de los iones Eu3+. En el caso de los composites de h-MoO3 con grafito, se observó que las microrods se depositan sobre las láminas del compuesto de carbono. Sin embargo, en el caso de los composites con grafeno y con GO, además de quedar depositados sobre las mismas, las láminas también recubren por completo las microestructuras. Este tipo de morfología se ha revelado idónea para el desarrollo de algunos dispositivos de almacenamiento de energía. Finalmente, se han estudiado las propiedades electroquímicas como ánodos de baterías de ion litio de los tres óxidos y sus composites con las distintas formas alotrópicas de carbono. Para ello se midieron curvas de carga/descarga ajustando la corriente a 1 A/g y en un rango de tensiones de 3 a 0.01 V. En todos los casos se pudo observar como la presencia de la forma alotrópica de carbono mejora sustancialmente el comportamiento electroquímico. Los mejores resultados se obtuvieron en el caso del composite de ¿-Fe2O3 con grafito, el cual presenta una capacidad de carga específica de 530 mA.h/g al cabo de 100 ciclos frente a los 209 mA.h/g que presentaban las nanopartículas de ¿-Fe2O3; el composite de Cr2O3 con grafeno, el cual mejora la capacidad de carga de las nanopartículas aisladas de 144 mA.h/g a 414 mA.h/g transcurridos 100 ciclos y los composites de h-MoO3 con grafeno y GO los cuales presentan capacidades de carga específicas superiores a 600 mA.h/g transcurridos más de 120 ciclos.