Synthesis and characterization of carbon nanotubes and hybrid carbon nanostructures grown on flexible electrodes for supercapacitor applications
- Autores: Islam Alshaikh
- Directores de la Tesis: Enric Bertran Serra (dir. tes.), Roger Amade Rovira (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eva Kovacevik (presid.), Mariona Coll Bau (secret.), Noemí Aguiló Aguayo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
Actualment, la Nanotecnologia està tenint un impacte en pràcticament tots els aspectes de la vida humana. És una tecnologia transformadora que ha influït i continuarà en l'electrònica i la informàtica, la medicina, els materials i la fabricació, la catàlisi, l'energia i el transport. Ha canviat la manera d'utilitzar els materials en el futur, millorant la seva durabilitat i reactivitat. Tenim moltes oportunitats per fer que les coses siguin més petites, més lleugeres i més fortes. Els materials de carboni són un dels principals materials que els científics han estudiat intensament les seves propietats durant les últimes tres dècades per les seves notables propietats, que encara s'estan investigant i s'estan descobrint noves propietats i aplicacions fins al moment. Els nanotubs de carboni (CNT) i el grafè són els principals materials de carboni investigats i més importants des del seu descobriment. El primer descobriment de CNT va ser l'any 1991 pel Dr. Sumio Iijima on eren nanotubs de carboni de paret múltiple (MWCNT) ja que els podia produir al seu laboratori en condicions estables. Dos anys més tard, el mateix científic va poder descobrir els primers CNT de paret única (SWCNT). Una dècada més tard, la revolució del grafè va començar quan el professor Andre Geim i el professor Constantine Novoselov van poder obtenir una sola capa de grafè separant els fragments de grafit repetidament fins a obtenir una capa de carboni d'un àtom de gruix. De fet, atès que s'ha avançat la tecnologia per produir CNT i grafè a escala industrial, es poden trobar en nombroses aplicacions, com ara polímers de reforç, que actuen com a bastides per al creixement artificial de teixits, utilitzant-los en molts dispositius sensors com ara com a elèctrics, òptics i biològics, fabricant els components d'elèctrodes de bateries i supercondensadors de nova generació. Els CNT i el grafè són suports ideals per a altres materials, especialment quan es combinen amb materials d'alta capacitat. Investigadors i empreses de tot el món estan dedicant esforços importants a desenvolupar elèctrodes amb disseny tridimensional a escala nanomètrica i una gran superfície específica. Aquesta tesi se centra en l'optimització dels paràmetres de síntesi de CNTs utilitzant diferents metodologies per obtenir els CNTs sobre substrats conductors i flexibles i sense substrat per utilitzar-los com a elèctrodes per a supercondensadors. Els CNT s'han estudiat per separat, combinats amb nanowalls de grafè (GNW) i combinats amb MnO2 per augmentar la capacitat tant com sigui possible. Totes les metodologies de síntesi de CNT i GNW són processos relacionats amb CVD.
Les tecnologies estudiades també ofereixen una diversitat de mètodes de producció de nanomaterials, que obren altres desenvolupaments futurs tals com elèctrodes flexibles per a supercondensadors i bateries, sensors, foto i electrocatàlisi, i altres desenvolupaments com biosensors per a roba intel·ligent.
Capítol 1-Introducció Aquest capítol tracta alguns principis bàsics de la nanociència i la nanotecnologia. Els materials de carboni prenen la resta del capítol a partir dels al·lòtrops de carboni, explicant amb detall conceptes sobre nanotubs de carboni, les seves propietats, tècniques de síntesi, mecanisme de creixement i l'efecte dels gasos catalitzadors i precursors en el creixement. A continuació, s'explica breument la història i els conceptes del grafè, a més de la seva estructura i propietats tèrmiques i mecàniques.
Capítol 2 – Tècniques de caracterització Les tècniques de caracterització utilitzades durant aquesta tesi es descriuen amb detall en aquest capítol. Es van realitzar diferents mesures espectroscòpiques, elèctriques i electroquímiques per caracteritzar els materials de carboni que hem sintetitzat, així com la seva aplicació com a elèctrodes per a dispositius supercondensadors. En aquest capítol, també es presenten les descripcions de les tècniques de microscòpia electrònica i d'anàlisi de superfícies utilitzades per a la caracterització composicional, estructural i morfològica de les mostres.
Capítol 3 – Conceptes i configuracions experimentals.
Aquest capítol és el nucli per a la capacitat d'imaginar com es va dur a terme el treball del material de síntesi durant la tesi. Cobreix amb detall els conceptes del sistema de buit i els possibles recursos de gas dins de les cambres de buit, els conceptes de plasma i els processos relacionats de deposició física de vapor (PVD) i deposició de vapor químic (CVD). S'expliquen els tres reactors que hem utilitzat per sintetitzar els materials de carboni. En particular, les seves parts (principi de funcionament, bombes, vacuòmetres, etc...) i la importància de cada peça per a un ús exitós i segur de les cambres. Finalment, també es va explicar una tècnica de plasma atmosfèric per a la síntesi de nanopartícules metàl·liques.
Capítol 4 – Síntesi de composites basats en carboni sobre substrats Papyex® altament flexibles En aquest capítol, es presenta l'optimització dels paràmetres de creixement dels CNTs alineats verticalment (VACNT) i dels seus compostos GNWs sobre substrats de grafit Papyex® mitjançant CVD millorat per plasma (PECVD) i CVD de plasma acoblat inductivament (ICP-CVD) per utilitzar-los. com elèctrodes per a supercondensadors. Els paràmetres es van optimitzar un per un incloent la funcionalització del plasma de la mostra. Les mostres es van caracteritzar mitjançant diferents tècniques microscòpiques, espectroscòpiques i de raigs X. Les propietats electroquímiques dels CNT i les estructures híbrides de carboni es van investigar abans i després de l'electrodeposició de MnO2.
Capítol 5 – Síntesi de compostos basats en carboni directament sobre aliatges flexibles SS310 En aquest capítol, hem estudiat el creixement de CNT directament sobre aliatges d'acer inoxidable SS310 utilitzant les partícules de catalitzador presents al propi substrat en un únic procés continu mitjançant PECVD. L'optimització dels paràmetres del procés es va dur a terme mitjançant el disseny experimental de Box-Wilson. Els CNT obtinguts es van decorar amb escates de GNW per augmentar la seva superfície específica. La morfologia i les propietats dels compostos CNTs i CNTs-GNWs es van caracteritzar mitjançant diferents tècniques microscòpiques i espectroscòpiques. Es va dipositar diòxid de manganès sobre l'estructura obtinguda i se'n van estudiar les propietats electroquímiques.
Capítol 6 – Síntesi de nanotubs de carboni i nanopartícules d'òxid metàl·lic a pressió atmosfèrica.
Aquest és l'últim capítol de resultats, que presentarà una tècnica diferent per al creixement de CNT. La síntesi de CNT es va fer sense substrat mitjançant un catalitzador flotant CVD (FC CVD). Aquesta tècnica permet la síntesi contínua (escalable) de CNT a pressió atmosfèrica en un entorn d'oxigen lliure dins d'un reactor de forn tubular. En aquest capítol es presenta una altra tècnica per a la síntesi de nanopartícules d'òxid metàl·lic anomenada interacció plasma-líquid. Mitjançant aquesta tècnica es van sintetitzar diferents òxids metàl·lics però només vam utilitzar NiO2. Mitjançant aquestes tècniques podríem obtenir una estructura híbrida de CNTs i nanopartícules de NiO2. Tots dos es van caracteritzar per tècniques microscòpiques i espectroscòpiques per finalment utilitzar-los per a aplicacions electroquímiques. La major part d'aquest treball es va dur a terme durant una estada curta a la Universitat d'Ulster - Irlanda del Nord.
Conclusions L'exposició dels resultats i la discussió s'ha completat amb una llista de conclusions derivades dels principals resultats i assoliments de la tesi.
