Deep eutectic solvents playing a critical role in the synthesis of hierarchical carbon monoliths with tailored compositions and structures

• Autores: María de las Nieves López Salas
• Directores de la Tesis: Maria Luisa Ferrer Pla (dir. tes.), Francisco del Monte Muñoz de la Peña (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: M. Concepción Ovín Ania (presid.), Rebeca Marcilla (secret.), Anne Thomas (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Electroquímica. Ciencia y Tecnología
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Los monolitos de carbón porosos son de gran interés para aplicaciones muy diversas como en dispositivos de almacenamiento de energía (por ejemplo, como electrodos para supercondensadores), dispositivos de conversión de energía (para su empleo en electrodos de pilas de combustible) o en procesos de adsorción y separación selectiva de gases (como, por ejemplo, el CO2). Sin embargo, no todos los procesos conocidos de preparación de carbones porosos son capaces de producir estos materiales avanzados. De hecho, en la mayoría de los casos, los carbones producidos poseen nanoporos de un solo tamaño y, además, se obtienen en forma de polvo que, a la hora de ser aplicado, debe de ser compactado por compresión o usando aglomerantes, lo cual implica pérdidas de rendimiento (pérdida de porosidad, pérdidas de conductividad, etc).

    Los líquidos iónicos (ionic liquids o ILs, por sus siglas en inglés) están formados por sales en las que al menos uno de los iones es de naturaleza orgánica. La temperatura de fusión de un IL está íntimamente relacionada con las características de los iones que lo forman y puede variar desde temperatura ambiente hasta los 100oC. Los ILs son considerados una alternativa muy prometedora a otros disolventes de naturaleza orgánica en síntesis orgánica y procesos de preparación de materiales debido a su naturaleza iónica, sus excelentes cualidades como disolventes, su estabilidad térmica, su mínima presión de vapor y su capacidad de actuar como disolventes de tipo "todo en uno", esto es, como disolventes, agentes directores de estructura y reactivos simultáneamente. No obstante, generalmente los ILs son caros, tóxicos y, en algunas ocasiones, sensibles al agua, por lo que el remplazo de los disolventes comunes por estos nuevos disolventes se ha visto justificado sólo en las ocasiones en las que el producto final poseía un valor añadido especial debido al empleo de estos líquidos.

    Los disolventes eutécticos (deep eutectic solvents o DESs, por sus siglas en inglés), son una clase de ILs que se obtienen por la interacción de una sal de amonio cuaternaria con un dador de protones. Los DESs comparten muchas características con los ILs (por ejemplo, no son volátiles) pero además, ofrecen otras ventajas (como por ejemplo, su alta pureza y bajo coste) que hacen de estos líquidos una alternativa aún más prometedora para reemplazar a otros disolventes convencionales. De hecho, esta clase de ILs se han empleado ya de forma muy habitual como disolventes en una amplia variedad de reacciones orgánicas (en reacciones de oxidación, hidratación y condensación) y en procesos de síntesis de materiales (en preparación de polímeros y elastómeros, entre otros).

    Las resinas de resorcinol-formaldehído son un típico y excelente precursor de carbón. En el año 2010, el Grupo de Materiales Bioinspirados del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid publicó por primera vez un trabajo en el que un DES se empleaba como medio de reacción en la policondensación de resorcinol y formaldehído. En este trabajo, el DES fue diseñado para contener resorcinol y, a este DES se le añadió una disolución acuosa de formaldehído. Tras homogeneizar la mezcla y someterla a un tratamiento de curado a 90 oC durante varios días, las resinas de resorcinol-formaldehído resultantes tenían la forma de monolitos robustos. La mezcla del DES con la disolución acuosa de formaldehído favorece que, durante el proceso de polimerización, se produzca un fenómeno de separación de fases a nivel nanométrico de tipo descomposición espinodal. De este modo, y como ya se había comprobado empleando otros ILs, el DES actuaba simultáneamente como disolvente, reactivo y agente director de estructura porosa de los materiales finales. Tras carbonizar los monolitos poliméricos, se obtuvieron monolitos de carbón que poseían una interesante estructura porosa y jerárquica, compuesta de mesoporos y microporos.

    El objetivo de esta Tesis es el diseño de diferentes DESs versátiles y de bajo coste con el fin de emplearlos como precursores de carbón en la preparación de sofisticados monolitos de carbón con composiciones versátiles (incluyendo otras nanoestructuras de carbón, como los nanotubos de carbono o dopados con nitrógeno, azufre o fósforo, entre otros) y estructuras porosas y jerárquicas (combinando poros de diferentes tamaños, desde micro- hasta macroporos) diseñadas a medida.