Graphene-based hybrid materials with metal compounds and their application in electrochemical energy storage devices
- Autores: Jaime Sánchez Sánchez
- Directores de la Tesis: Rebeca Marcilla (dir. tes.), Afshin Pendashteh (dir. tes.), Pilar Ocón Esteban (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carmen Mireya Rangel Archila (presid.), José Francisco Fernández Ríos (secret.), Íñigo Larraza Álvarez (voc.), Sergio Rojas Muñoz (voc.), Elisabet Castillo Martínez (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Desarrollar un plan energético seguro y sostenible es, sin lugar a dudas uno de los mayores desafíos de nuestros días. Para ello, el almacenamiento eficiente de energía mediante fuentes renovables (por ejemplo, eólica o solar) con el fin de entregar dicha energía bajo demanda, junto a la gran implementación del vehículo eléctrico en el mercado automotriz, realza aún más si cabe la importancia del desarrollo de sistemas energéticos seguros, a un precio competitivo y con un elevado rendimiento. Sin embargo, ha sido durante la última década, cuando se ha comenzado a fomentar la investigación, desarrollo e implementación de nuevos sistemas híbridos que pueden llegar a beneficiarse de las ventajas que ofrecen tanto baterías como condensadores, atrayendo una enorme expectación como posible solución para la creciente demanda de nuevos mercados en alza (por ejemplo, el vehículo eléctrico). En este sentido, la síntesis y el desarrollo de nuevos materiales híbridos capaces de combinar procesos faradaicos con capacitivos, logrando a su vez proporcionar altas densidades de energía y potencia ha pasado a ser un aspecto de elevado interés para la comunidad científica.
A pesar de los innumerables avances científicos en lo relativo a la ciencia de materiales, aún quedan infinidad de desafíos por afrontar a la hora de sintetizar nuevos materiales potencialmente aplicables en el almacenamiento eficiente de energía, que puedan mostrar un alto rendimiento electroquímico en comparación a los ya actuales (empleando métodos de síntesis simples, rentables desde el punto de vista económico, de fácil escalabilidad y a su vez procurando ser benévolos con el medio ambiente, etc.) Durante el transcurso de la presente tesis doctoral, se ha considerado de vital importancia el empleo de métodos de síntesis fácilmente reproducibles para el desarrollo de nuevos materiales híbridos basados en grafeno y compuestos de metales de transición (por ejemplo, óxidos metálicos o sulfuros metálicos). Las propiedades microestructurales de los materiales sintetizados se optimizaron mediante la alteración en su morfología, composición o tamaño de partícula, con el fin de mejorar su respuesta electroquímica y con el objetivo final de mejorar sus propiedades de almacenamiento electroquímico o sus características electrocatalíticas.
La tesis consta de cinco secciones: Introducción y revisión del estado del arte (capítulo 1), objetivos de la presente tesis doctoral (capítulo 2), parte experimental y de metodología (capítulo 3), capítulos dedicados a los resultados obtenidos (capítulos 4-9) y capítulo de conclusiones finales y perspectivas futuras (capítulo 10). Por lo tanto, la presente tesis doctoral está organizada en 10 capítulos que se resumen a continuación: El Capítulo 1 presenta los antecedentes, estructura y situación actual de los distintos sistemas de almacenamiento de energía (incluidas las baterías, los supercondensadores y sus sistemas híbridos), así como una breve comparativa bibliográfica de los resultados obtenidos en la presente tesis con el estado del arte. Además, se han descrito las ventajas de usar materiales basados en grafeno y su hibridación con compuestos de metales de transición (por ejemplo, óxido o sulfuros) para aplicaciones energéticas. El Capítulo 2 enumera los objetivos perseguidos durante la presente tesis doctoral. En el Capítulo 3, se detallan los métodos experimentales y la metodología empleada. Esto incluye procedimientos de síntesis detallados, caracterizaciones fisicoquímicas y electroquímicas, así como todos los instrumentos utilizados. El Capítulo 4, como primer capítulo de resultados, describe el empleo de un método fácil para la hibridación de nanopartículas de Fe3O4 comerciales con nanoláminas de óxido de grafeno reducido (rGO), con la finalidad de aumentar las propiedades de almacenamiento de energía características del óxido puro. Se prepararon distintas composiciones del material híbrido (Fe3O4-rGO), cuyas propiedades electroquímicas de almacenamiento fueron comparadas, empleando finalmente el material optimizado (Fe3O4-rGO 60:40) como electrodo negativo en baterías acuosas de alta potencia. En el Capítulo 5, óxidos de níquel-manganeso en fase ilmenita fueron anclados mediante un método hidrotermal en nanoláminas de rGO (NiMnO3-rGO), explicando el efecto de su hibridación en las propiedades de almacenamiento de energía. En el Capítulo 6, un óxido ternario de niquel cobalto y manganeso se ancla mediante un método hidrotermal en nanoláminas de rGO (NiCoMnO-rGO). Se examinó el efecto de varias condiciones de síntesis, como la relación óxido/carbono y el tiempo empleado en la reacción hidrotermal, finalmente se evaluó el material híbrido optimizado como electrodo positivo para dispositivos híbridos de almacenamiento de energía. En el Capítulo 7, Co3O4 nanorods (NR) fueron anclados en nanoláminas de grafeno dopadas con nitrógeno mediante un simple método de coagulación electrostática. El óxido optimizado se hibridó con grafeno (Co3O4/N-rGO) y el híbrido resultante se examinó como electrocatalizador bifuncional (ORR/OER), siendo comparado con uno de los catalizador bifuncionales de metales nobles más empleado (PtRuC) en baterías recargables de Zn-aire. El Capítulo 8 se centra en comprender el mecanismo de almacenamiento de carga perteneciente a un sulfuro metálico mixto sintetizado sobre espuma de niquel (NiCoMnS2). Con esta finalidad, varios análisis post mortem y operando se han llevado a cabo y se han explicado en detalle en el capítulo. En el Capítulo 9, se detalla la síntesis de un sulfuro ternario de Ni-Co-Mn (con una fase diferente que en el Capítulo 8) en nanoláminas de grafeno dopado con nitrógeno. El material híbrido (NiCoMnS4/NrGO) sintetizado, se evaluó como electrocatalizador bifuncional para baterías recargables de Zn-aire. Se llevaron a cabo varias caracterizaciones electroquímicas y los resultados se compararon con anteriores trabajos ya publicados en la literatura. Además, los resultados también se compararon con un trabajo previo del grupo en una fase similar pero empleando un óxido metálico ternario, para aclarar y comparar las diferencias en la actividad catalítica entre óxidos y sulfuros análogos. Finalmente, el Capítulo 10 resume las principales conclusiones de la investigación realizada en la presente tesis doctoral y presenta sugerencias para futuros trabajos de investigación a la hora de evaluar y beneficiarse de la hibridación de los compuestos derivados del grafeno con distintos compuestos metálicos para su aplicación en el almacenamiento electroquímico de energía.
