Diseño y preparación de carbones monolíticos jerárquicos para diferentes aplicaciones

• Autores: Julián Patiño Redondo
• Directores de la Tesis: Francisco del Monte Muñoz de la Peña (dir. tes.), Maria Luisa Ferrer Pla (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Pedro Tartaj Salvador (presid.), Beatriz Hernández Juárez (secret.), Daniel Carriazo Martín (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Electroquímica. Ciencia y Tecnología
• Materias:
  • Física
    • Química física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Los carbones monolíticos jerárquicos (HMCs) están generando un notable interés en todas aquellas aplicaciones donde es necesario garantizar la difusión de materia y el acceso al área interna del monolito. Este requisito es común para muchas aplicaciones de tipo medioambiental, energético o biomédico. Por ejemplo, todo material en forma de monolito que pueda ser utilizado como adsorbente para el almacenamiento y la separación de gases, como electrodo en fenómenos de doble capa eléctrica para almacenamiento de energía o como sustrato para crecimiento celular necesita que un conjunto de moléculas (el adsorbato, el electrolito o los nutrientes biológicos, respectivamente) difundan por su estructura porosa interna hasta alcanzar el centro activo donde se va a producir la reacción, adsorción o adhesión de interés. Los HMCs se caracterizan por poseer una red macroporosa continua que garantiza este transporte. No obstante, es todavía necesario el desarrollo de nuevas rutas sintéticas que permitan un control estricto de su estructura y afinidad química. Además, en aquellos casos donde la aplicación del material es de tipo medioambiental, es conveniente el desarrollo de rutas químicas que confieran un carácter sostenible a todo el proceso (lo que en inglés se denomina “from cradle to grave analysis”), que tiene en cuenta el origen de la materia prima utilizada en la preparación, el proceso de preparación, la distribución, la vida útil (el uso, el mantenimiento y la reparación), y la eliminación y/o posibilidad de reciclado finalizada la vida útil de este producto.

    En este trabajo se han abordado dos rutas sintéticas diferentes para la obtención de HMCs. La primera se basa en la calcinación de distintas resinas jerárquicas obtenidas vía descomposición espinodal asistida por disolventes eutécticos (DES). La versatilidad composicional que ofrece el uso de DES aporta un interesante carácter sostenible a esta síntesis. Por un lado, permite utilizar compuestos naturales para su preparación (por ejemplo, derivados fenólicos o alcohol furfurílico) y por otro, permite una notoria economía de reactivos, dado que los DESs formados con estos precursores actúan, además (a) como medio de reacción (donde eventualmente dispersar, por ejemplo, nanotubos de carbono de manera homogénea y así obtener composites), (b) como agentes directores de estructura en la obtención de la red interconectada de macroporos que caracteriza a los HMCs, e incluso, (c) como agentes capaces de introducir cierta funcionalidad en el carbón que conforma los HMCs (en este trabajo, en concreto, con grupos nitrogenados y fosforados). Los HMCs obtenidos en esta tesis con esta ruta han permitido su aplicación como adsorbentes de CO2 con una eficacia de hasta 3.7 mmol/g en compuestos derivados de 3-hexylresorcinol. Además, empleando distintas composiciones de DES precursor se han obtenido elevadas selectividades de adsorción CO2/N2 (14.4) y CO2/CH4 (10.8), respectivamente, en datos en equilibrio de un solo componente. Por último, estos HCMs han demostrado su eficiencia como electrodos en un dispositivo supercondensador proporcionando altas prestaciones, tanto en densidad de potencia (10 kW kg-1) como en densidad de energía (22.6 W h kg-1) operando a voltajes de hasta1.5 V con electrolitos acuosos, lo que ha permitido el funcionamiento por un cierto periodo de tiempo de un LED IR de 30 mW.

    La segunda ruta sintética está basada en un proceso de autoensamblado producido por segregación de hielo (ISISA). Ésta es también una ruta con cierto carácter sostenible dado que usa el disolvente más ecológico que existe (agua) y prima la economía de reactivos al ser el mismo agua el que, finalmente, actúa como agente director de la estructura macroporosa que caracteriza a estos materiales. En este trabajo se ha sometido una dispersión acuosa de óxido de grafeno (GOx) a un congelado unidireccional para obtener HMCs con macroporos en forma de canales micrométricos alineados y de tamaño adecuado para permitir la colonización de células in vitro. De hecho, este trabajo ha demostrado la capacidad de los HMCs para actuar como soportes para la creación de redes neuronales.