El objetivo de esta línea de trabajo es la síntesis, caracterización estructural, electrónica, textural y electroquímica de materiales de carbono nanoestructurado para su aplicación en supercondensadores.

Estos materiales cuya unidad estructural es el grafeno forman parte de los denominados carbones desordenados (amorfos nanoporosos, activados, carbones laminares nanografíticos..), ya que aunque no muestran orden a largo alcance, sí que muestran orden a escala nanométrica debido a la presencia de láminas de grafeno desordenadas o no correlacionadas y parcialmente corrugadas (enlace sp^2+δ).

Estos materiales presentan alta área superficial, alta porosidad y una estrecha distribución del tamaño de microporo(~1nm). Todas  estas características los hace idóneos para su aplicación como adsorbentes, dispositivos para almacenamiento de hidrógeno o más importante todavía, como electrodos en supercondensadores.

Las actividades previstas para la consecución de los objetivos propuestos son:

Actividad 1: Síntesis de materiales de carbono nanoestructurado con alta área y tamaño de poro controlado empleando la extracción selectiva de metales con cloro gaseoso sobre carburos metálicos, extendiendo dicha metodología a compuestos organometálicos que permiten obtener nanoestructuras de carbono con forma (SCNM shaped carbon nanomaterials) y compuestos organometálicos nitrogenados (p.e. ftalocianina de hierro) con el fin de introducir heteroátomos en la estructura que mejoren la capacitancia del electrodo.

Actividad 2: Obtención de información estructural promedio mediante las técnicas de difracción de rayos X de polvo y espectroscopía Raman. Estas técnicas no destructivas, permiten, en el primer caso determinar el tamaño promedio aparente del clúster grafítico en las direcciones a (La) y c (Lc) de la estructura grafito y su evolución con la temperatura de síntesis, mientras que la segunda es una técnica estándar en el estudio de materiales de carbono ya que el análisis de la posición, relación de intensidad o anchura a media altura del máximo de las banda características G y D, proporcionan valiosa información estructural de los materiales.

Actividad 3: Dada la estrecha relación entre la nanoestructura de los materiales y sus propiedades fisicoquímicas, se llevará a cabio un estudio de la micro y nanoestructura mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y en detalle mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM). Además, el empleo de la espectroscopía EELS asociada al microscopio de transmisión nos permitirá obtener información local acerca de la estructura electrónica y propiedades dieléctricas de los materiales con
resolución nanométrica.

Actividad 4: Evaluación de las propiedades texturales de los materiales preparados mediante el análisis de las isotermas de adsorcióndesorción, ya que proporcionan el área superficial específica (BET), el área superficial externa, el volumen total y de microporos y la distribución de tamaño de poros (PSD). Una descripción detallada de la estructura de poros en términos de distribución de tamaños, permitirá correlacionar y predecir las propiedades de los materiales en conjunto con el estudio estructural.

Actividad 5: Finalmente se prepararán electrodos con los materiales preparados y se evaluarán sus propiedades electroquímicas mediante medidas galvanostáticas de cargadescarga tanto en medio acuoso (H₂SO₄) como orgánico ((C₂H₅)₄NBF₄ en acetonitrilo), que permitirán determinar la capacitancia específica de los materiales , que es un parámetro indicador de su posible aplicación como electrodos supercondensadores.

 

Los hitos previstos en el desarrollo del programa de investigación dentro de este objetivo son:

A los 18 meses:

1.  Síntesis de carbones nanoestructurados mediante tratamiento con cloro de carburos metálicos y compuestos organometálicos de bajo o moderado precio
2.  Preparación de carbones nanoestructurados dopados con alto porcentaje nitrógeno (>6%) a partir de ftalocianinas
3. Análisis detallado de la estructura media mediante difracción de rayos X y espectroscopia Raman
4. Caracterización micro y nanostructural mediante técnicas de microscopia electrónica.

De 18 a 36 meses:

1. Determinación de parámetros texturales mediante medidas de adsorción desorción a baja temperatura
2. Caracterización electroquímica (medidas galvanostáticas de carga descarga)
3. Evaluación de la posible utilización de los materiales en las baterías de Li del objetivo

De 36 a 48 meses:

1. Selección de materiales con capacitancia específica superior a 180 F.g^-1 para el desarrollo de supercondensadores.