Materiales híbridos basados en nanocarbones y polioxometalatos para aplicación como electrodos en supercondensadores con mecanismo dual de almacenamiento de energía

Resumen

Baterías y supercondensadores son dos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía con mecanismos y prestaciones complementarios. Las baterías, con mecanismos de reacciones redox faradaicas presentan alta densidad de energía y baja densidad de potencia mientras que el mecanismo electrostático de los supercondensadores (doble capa eléctrica) les confiere una alta densidad de potencia con densidad de energía limitada. El diseño de materiales y electrodos híbridos que combinen ambos mecanismos es una vía para la mejora simultánea de energía y potencia en un mismo dispositivo. En este trabajo hemos explorado la síntesis, propiedades y aplicación de materiales híbridos basados en tres tipos de nanocarbones (carbón activado, AC; nanotubos de carbono multipared, MWNT’s y óxido de grafeno reducido, RGO) con tres polioxometalatos electroactivos con la estructura de Keggin (ácido fosfomolíbdico H3PMo12O40, ácido fosfovolfrámico H3PW12O40 y ácido silicovolfrámico H4SiW12O40). Los carbones aportan una matriz conductora con capacidad de almacenamiento de carga de tipo capacitivo (doble capa) mientras que los clústeres inorgánicos aportan su electroactividad molecular de tipo faradaico. Nuestro trabajo ha permitido confirmar la hipótesis de trabajo inicial, es decir, que es posible llevar a cabo la síntesis de todas las distintas combinaciones de híbridos, dando lugar a materiales en los que los polioxometalatos se integran de forma permanente, si bien la incorporación de polioxometalatos alcanza concentraciones máximas distintas para cada carbón, en el orden AC > RGO > MWNT’s. Cabe destacar que los mecanismos de incorporación de los polioxometalatos (POM’s) varían dependiendo del tipo de nanocarbón usado de matriz. Mientras en los AC los POM’s se incorporan por fisisorción en microporos de tamaño adecuado, en el caso del RGO los POM’s se anclan mediante interacciones de tipo químico con los grupos polares oxigenados del carbón. La caracterización de los materiales híbridos preparados incluyó termogravimetría (ATG) estudio de la estructura (DRX) y microestructura (SEM, TEM), isotermas de adsorción, espectroscopías (FTIR, XPS, Raman en el caso del RGO), así como una sistemática caracterización electroquímica (CV, cronopotenciometría para ciclos de carga-descarga) en celdas de tres y de dos electrodos (dispositivos supercondensadores simétricos). La mayor parte de los materiales estudiados dio lugar a electrodos con una combinación sinérgica de propiedades que incluyen una mayor densidad de energía y de potencia por unidad de volumen para los híbridos, en comparación con los nanocarbones correspondientes, con un rango accesible de potencial aumentado para el caso de los polioxovolframatos y capaces de ser sometidos a ciclos repetidos de carga y descarga de hasta decenas de miles de ciclos, con una ciclabilidad también mejorada respecto de los materiales de carbón en las mismas condiciones de ciclado. Nuestro trabajo muestra por tanto una vía hacia la mejora de las propiedades de almacenamiento de energía eléctrica mediante la hibridación de los materiales de electrodo que combinen componentes faradaicos con capacitivos ejemplificándolo con el uso de polioxometalatos y carbones que suponen una doble combinación sinérgica gracias a la combinación faradaica-capacitiva y a la contribución de los carbones como matrices conductoras que hacen posible el aprovechamiento de la electroactividad de estos clústeres moleculares.