Materiales porosos nanoestructurados obtenidos en sólidos porosos para aplicaciones como electrodos en dispositivos electro químicos

Resumen

MATERIALES POROSOS NANOESTRUCTURADOS OBTENIDOS EN SÓLIDOS POROSOS PARA APLICACIONES COMO ELECTRODOS EN DISPOSITIVOS ELECTRO QUÍMICOS Esta Tesis Doctoral se basa en la preparación de materiales carbonosos con morfología definida por distintos sólidos porosos utilizados como plantilla, los cuales son caracterizados composicional, estructural, morfológica y electroquímicamente, para estudiar su potencial aplicación como materiales electroactivos en dispositivos electroquímicos del tipo de las baterías recargables de ión litio y los supercondensadores. Como paso previo a la obtención de los materiales carbonosos, se preparan compuestos híbridos órgano-inorgánicos (nanocomposites carbono/sólido inorgánico) basados en la combinación de sólidos inorgánicos con especies orgánicas susceptibles de ser carborreducidas. Los sólidos anfitriones usados son minerales de la arcilla con distintas morfologías: tubular (imogolita), laminar (montmonllonita) y fibrosa (sepiolita), además de membranas nanoporosas de alúmina. Los precursores carbonosos son propileno y poliacrilonitrilo (PAN). La caracterización composicional, estructural y morfológica de los materiales preparados se realiza mediante los análisis químico elemental (CHN), térmico diferencial y termogravimétrico (ATD y TG), las espectroscopias infrarroja (FTIR) y de resonancia magnética nuclear (13C-RMN), la difracción de rayos (DRX), la microscopía electrónica de barrido y transmisión (MEB y MET) y las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno. La caracterización eléctrica se realiza mediante la espectroscopia de impedancía electroquímica (EIS). La aplicación de los materiales carbonosos como electrodos en dispositivos electroquímicos se realiza mediante técnicas electroquímicas tanto en corriente continua (cronopotenciometría, ciclovoltamperometría, técnica de pulso-relajación y de descarga intermitente) como en corriente alterna (espectroscopia de impedancía electroquímica). Los resultados más relevantes de este estudio son: 1. Se logran preparar materiales carbonosos nanoestructurados con distintas características fisico-químicas y texturales (porosidad, conductividad eléctrica) que dependen fundamentalmente de la naturaleza del sólido poroso anfitrión. 2. La medida in situ (mediante EIS) de la conductividad eléctrica durante la transformación de los nanocomposites poliacrilonitrilo/arcilla a carbono/arcilla determina que éstos últimos alcanzan valores de hasta 10'3 Q"1cm"1. La presencia de polímero en exceso en el nanocomposite de partida genera materiales con elevada conductividad, a pesar del efecto aislante de la arcilla que disminuye la conectividad entre las partículas del material carbonoso formado. Los materiales carbonosos obtenidos tras la eliminación de la matriz inorgánica muestran mayores valores de conductividad que los nanocomposites carbono/arcilla de los que derivan. 3. Los materiales carbonosos preparados insertan litio, por lo que pueden funcionar como materiales de electrodo en baterías recargables de ion litio. Los que mejor funcionan son i) los preparados a partir de poliacrilonitrilo utilizando imogolita como plantilla y i¡) los nanotubos de carbono crecidos en membranas nanoporosas de alúmina de 100 nm de diámetro de poro, desarrollando capacidades de inserción reversible de litio de hasta 838 mAh/g a 20 mA/g. Se determinan los coeficientes de difusión del ión litio en los nanotubos de carbono crecidos en membranas de alúmina mediante dos técnicas: la valoración galvanostática intermitente y la espectroscopia de impedancia electroquímica, obteniéndose valores del orden de 10'8 a 10"9 cm2/s y existiendo una elevada concordancia entre las medidas obtenidas mediante ambas técnicas. 4. Los materiales carbonosos preparados se pueden utilizar como materiales de electrodo en supercondensadores y el que mejor funciona en estos dispositivos son los nanotubos de carbono crecidos en membranas de alúmina de 100 nm de diámetro de poro, desarrollando capacidades de hasta 62,7 F/g con electrolitos orgánicos. Además, este material no necesita aditivos para conformarlo como electrodo.