Tesis

Los carbones mesoporosos (CM) han y siguen siendo ampliamente estudiados debido a las extraordinarias propiedades fisicoquímicas que presentan, tales como excelente estabilidad química, altas conductividades eléctricas y elevadas áreas superficiales específicas, por mencionar algunas. Por esta razón, los CM siempre han sido considerados candidatos potenciales y prometedores para una gran variedad de aplicaciones tecnológicas que van desde la separación y adsorción de contaminantes hasta el campo del almacenamiento y conversión de energía, específicamente en celdas de combustible, supercapacitores y baterías de litio.

Se han preparado y caracterizado hasta la fecha una enorme variedad de CM, basados en el diseño y control de poros que puedan ajustarse a las necesidades que requieren cada aplicación. El método de “nanocasting” o nanomoldeo mediante el uso de plantillas duras y agentes estabilizantes, se ha convertido en una forma ampliamente utilizada para la síntesis de CM, debido a la versatilidad que este ofrece sobre el control de la distribución de tamaño de poro (DTP) y área superficial del material. El uso de CM con distribuciones de tamaño de poro bimodales y tamaños de poro controlables puede solucionar algunos de los inconvenientes relacionados con las vías de difusión en el transporte de iones o el bloqueo de poros por productos de reacción que afectan el desempeño de sistemas electroquímicos.

La presente Tesis se enfocó en la síntesis de CM a partir de un método de formación de poros, utilizando como precursor una resina resorcinol-formaldehído, y como agentes formadores de poro una combinación de partículas de óxido de silicio (molde duro) con un polielectrolito catiónico (agente estabilizante). Mediante un estudio sistemático, que consistió en variar la relación del agente estabilizante y de molde duro, se logró obtener carbones, tanto en polvo como monolíticos mono y bimodales, con distribuciones de tamaño de poro que permiten mejoran significativamente la difusión de fases líquidas (electrolitos, adsorbentes o soportes de catalizadores) a través de los poros, lo cual favorece su utilización en dispositivos electroquímicos de conversión-almacenamiento de energía o en la remediación de aguas.

Los CM preparados poseen propiedades características que permiten clasificarlos como carbones duros (“hard carbons”), los cuales podrían ser utilizados en baterías Li-ion o Li-aire para reemplazar al grafito. Aunque la aplicación de los CM en baterías de litio estuvo fuera del alcance de este trabajo de Tesis, parte de la caracterización de los CM monolíticos se enfocó al transporte de sales de litio para estudiar el efecto de la DTP sobre la difusión de los iones de litio con el propósito de utilizar estos materiales como posibles candidatos para la intercalación electroquímica no solo del litio, sino también de sodio y potasio, en futuros trabajos.

Por otro lado, de la amplia gama de carbones preparados, se seleccionaron los materiales más adecuados para ser evaluados en tres posibles aplicaciones de interés tecnológico: como soporte de catalizadores en celdas de combustible (Capítulo 4), como electrodos para supercapacitores (Capítulo 5) y, por último, en la remediación de aguas (Capítulo 6), en este último caso utilizando como molécula modelo de contaminante el azul de metileno.

Como soporte de catalizador, el carbón con una DTP bimodal y baja área de microporos, mostró una mejor dispersión de catalizador respecto al carbón comercial Vulcan y CM sintetizados previamente en el grupo de trabajo. La dispersión del catalizador así como la DTP bimodal, que favoreció el flujo de los productos y reactivos, mejoraron el desempeño en celda de combustible.

En el caso de los supercapacitores se observó que la formación de la doble capa en los microporos está limitada por el acceso/movilidad del electrolito en ellos, por lo cual es necesario la utilización de carbones con DTP bimodales que permitan una buena relación de área electroquímicamente accesible a los poros y movilidad del electrolito para aumentar la interfase electrodo/electrolito. Los resultados en las capacitancias son comparables con los publicados en la literatura. Sin embargo, estos materiales mostraron un gran potencial para ser dopados con moléculas que le confieren propiedades pseudo-capacitivas (por ejemplo polioxometalatos) que mejoran significativamente su capacitancia.

Por último, en la remoción de colorantes, se observó una rápida y casi total adsorción de azul de metileno en los carbones con una DTP bimodal, lo cual deja en claro la importancia de diseñar materiales con estas características para un buen desempeño.

En esta Tesis se ha desarrollado un novedoso y sencillo procedimiento de síntesis de CM que permite ajustar la DTP (mono y bimodal) así como el tamaño de los poros en 5 y 25 nm, lo que favorece el desempeño de los CM en cada una de las aplicaciones donde se utilizaron.

Palabras claves: carbón mesoporoso, “hard carbon”, distribución de tamaño de poro, transporte de litio, celda de combustible de metanol directo, supercapacitores, capacidad de adsorción.