Functional design of nanocomposites and their application in energy conversion and storage
- Autores: Ruifeng Du
- Directores de la Tesis: Andreu Cabot Codina (dir. tes.), Frank Güell Vilà (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Ibáñez Sabaté (presid.), Cristina Flox Donoso (secret.), Xueqiang Qi (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
Esta tesis se centra en el diseño funcional y la preparación de diferentes tipos de nanocompuestos y sus aplicaciones en tecnologías de conversión y almacenamiento de energía, en particular en OER, HER, H2O2ER y LSBs. Para diferentes aplicaciones, los materiales nanocompuestos se diseñan en función de los requisitos de varias propiedades del material, incluida la conductividad, la catálisis, el rendimiento de adsorción, la estructura de la banda, el área de superficie específica, la estabilidad del material, etc. Luego, los nanocompuestos funcionales se preparan a través de diferentes métodos como recubrimiento de NPs, autoensamblaje y crecimiento in situ. Finalmente, los nanocompuestos funcionales preparados se prueban en aplicaciones específicas. La comprensión de la correlación entre la estructura del nanocompuesto diseñado y el rendimiento de la aplicación específica permite un diseño más racional de nanocompuestos funcionales.
Esta tesis consta de cinco capítulos. El primer capítulo presenta una introducción general a las estrategias sintéticas y aplicaciones de los nanocompuestos. El capítulo 2 detalla la preparación de CoFe2O4, la modificación de la superficie de las NP y el recubrimiento de soportes de Ni (NF) con las NP de CoFe2O4. El proceso de recubrimiento se optimizó para áreas de electrodos grandes, asegurando una distribución adecuada de las NP en el NF que permitió superar las limitaciones de conductividad eléctrica de las NP de óxido. Pudimos producir NFs recubiertos con CoFe2O4 con áreas superficiales geométricas de 10 cm2 con sobrepotenciales por debajo de 300 mV para la OER a una densidad de corriente de 50 mA/cm2. Los NF recubiertos con CoFe2O4 preparados también se probaron en un sistema acoplado de electrolizador fotovoltaico y lograron una eficiencia de conversión de energía solar a química de hasta el 13 %. Los resultados del Capítulo 2 se publicaron en Appl. Catal. B Environ (2019).
En el capítulo 3, se preparó una heterounión 2D/2D de nanoláminas de TiO2/g-C3N4 ultrafinas mediante el método de autoensamblaje electrostático. Los nanocompuestos obtenidos se aplicaron para la reacción fotocatalítica de evolución de hidrógeno bajo luz solar simulada, presentando un alto rendimiento HER y buenas estabilidades. En comparación con g-C3N4 y nanoláminas de TiO2 puro, esta heterounión 2D/2D TiO2/g-C3N4 exhibió propiedades de transporte y separación de carga ultra altas y una mejora evidente en el rendimiento fotocatalítico. Los resultados del Capítulo 3 se publicaron en Nanomaterils (2022).
En el capítulo 4, se preparó el dopaje con oxígeno en nanotubos de g-C3N4 cargados con Ni altamente dispersos a través de un método de crecimiento in situ. Los nanocompuestos obtenidos se aplicaron para la reacción de evolución de peróxido de hidrógeno fotocatalítico bajo luz visible. La estructura hueca del g-C3N4 tubular proporciona una gran superficie con una alta densidad de sitios reactivos y una absorción eficiente de la luz visible durante la reacción fotocatalítica. Además, el dopaje con oxígeno y la carga de Ni del catalizador compuesto de Ni/g-C3N4 muestran una capacidad superior para separar los portadores de carga fotogenerados y una alta selectividad para el proceso de dos electrones durante la reacción de reducción de oxígeno (ORR). Con la composición optimizada, Ni4%/O0.2tCN, muestra una tasa de producción de H2O2 de 2464 mol g-1•h-1 y logra un rendimiento cuántico aparente (AQY) del 14.9% a 420 nm. Los resultados del Capítulo 4 se publicaron en Chem. Eng. J. (2022).
El Capítulo 5 muestra la síntesis de nanorods de CoFeP coloidal, g-C3N4 tubular y nanocompuestos de CoFeP@t-CN. Los compuestos CoFeP@t-CN preparados se emplearon como materiales soporte de azufre para baterías de litio-azufre. Los cálculos DFT y los datos experimentales confirman que los compuestos CoFeP@CN se caracterizan por una estructura electrónica adecuada y un reordenamiento de carga que les permite actuar como un catalizador de Mott-Schottky para acelerar la conversión de LiPS. Además, la geometría tubular de los compuestos CoFeP@CN facilita la difusión de los iones de litio, se adapta al cambio de volumen durante la reacción y ofrece abundantes sitios litiófilos/sulfófilos para atrapar de forma eficaz los LiPS solubles. Como resultado, los electrodos S@CoFeP@CN brindan altas capacidades iniciales de 1607 mAh•g-1 a 0.1 C, un rendimiento de velocidad superior de 630 mAh•g-1 a 5 C y una notable estabilidad cíclica con una retención de capacidad del 90.44 % durante 700 ciclos. Además, producimos celdas tipo moneda con una alta carga de azufre, 4.1 mg•cm−2, y celdas tipo bolsa con una capacidad de 0.1 Ah para validar su estabilidad cíclica superior. Este trabajo fue publicado en Adv. Energy Mater. (2021).
Finalmente, la conclusión y las perspectivas de trabajo futuro se presentaron al final de esta tesis.
