Nanofibras de carbono preparadas vía electrohilado: caracterización de las propiedades estructurales y electrocatalíticas
En los últimos años, el uso de las nanofibras de carbono (NFC) se ha incrementado notablemente, como resultado del desarrollo de técnicas de fabricación y el empleo de diferentes precursores, lo que ha permitido la obtención controlada de diversas propiedades, tales como: área superficial específica...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis de maestría |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2018 |
| País: | México |
| Institución: | Universidad Autónoma Metropolitana |
| Repositorio: | Repositorio Institucional de la UAM Iztapalapa |
| Idioma: | español |
| OAI Identifier: | oai:bindani.izt.uam.mx:6t053g017 |
| Acceso en línea: | https://doi.org/10.24275/uami.6t053g017 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | info:eu-repo/classification/LEM/Química de superficies info:eu-repo/classification/LEM/Nanofibras de carbono info:eu-repo/classification/LEM/Surface chemistry info:eu-repo/classification/LEM/Nanohilos info:eu-repo/classification/LEM/Tissue engineering info:eu-repo/classification/LEM/Ingeniería del tejido info:eu-repo/classification/LEM/Carbon nanofibers info:eu-repo/classification/LEM/Nanowires info:eu-repo/classification/cti/2 |
| Sumario: | En los últimos años, el uso de las nanofibras de carbono (NFC) se ha incrementado notablemente, como resultado del desarrollo de técnicas de fabricación y el empleo de diferentes precursores, lo que ha permitido la obtención controlada de diversas propiedades, tales como: área superficial específica, conductividad electrónica, resistencia mecánica y resistencia térmica. Así, el campo de aplicación de las NFC se ha extendido a baterías, catalizadores, celdas de combustible y adsorbentes de vapores. Cada aplicación requiere propiedades específicas propias del material para obtener mejores rendimientos. La presencia de diversas especies de nitrógeno (grafítico/cuaternario, pirrólico, piridona), es una de las características que deben poseer los materiales de carbono para su aplicación en reacciones de reducción de oxígeno (RRO) de celdas de combustible y como adsorbentes en adsorción de CO2. En la mayoría de los casos, primero se obtienen los materiales de carbono y posteriormente se dopan con nitrógeno. En el presente trabajo, se sintetizan nanofibras de carbono dopadas con nitrógeno mediante un método simplificado, donde el nitrógeno forma parte de la estructura pristine, nanofibras de PAN, y mediante un tratamiento térmico se controla el contenido de las diferentes especies de nitrógeno y de la microporosidad de las NFC. Primero se realiza la síntesis de nanofibras de poliacrilonitrilo (NFPAN) vía electrohilado de soluciones de poliacrilonitrilo (PAN) en dimetilformamida (DMF). Segundo, la obtención de NFC a partir de la calcinación de NFPAN, lo cual implica dos etapas: i) estabilización en una atmósfera oxidante (aire) en un intervalo de temperaturas de 250 a 300 °C y ii) carbonización en una atmósfera inerte (nitrógeno) a temperaturas superiores a 600 °C. Estas etapas controlan la microporosidad y la cantidad (y tipos) de especies de nitrógeno. Un primer estudio está orientado a la evaluación de cuatro diferentes temperaturas de estabilización (250, 270, 280 y 300 °C), manteniendo constante la temperatura de carbonización (900 °C). Las reacciones de ciclización y deshidrogenación son incompletas en materiales estabilizados a temperaturas inferiores a 270 °C, produciendo una aglomeración sin espacios intersticiales en las NFC. Temperaturas superiores a 300 °C ocasionan una maceración en las nanofibras, disminuyendo significativamente la longitud de las NFC. Consecuentemente, con el objetivo de una ciclización y deshidrogenación completa para conservar la estructura fibrilar, la temperatura de estabilización más adecuada es 280 °C. Un segundo estudio está enfocado al impacto de la temperatura de carbonización sobre las propiedades estructurales y químicas de las NFC; en este caso se evalúan cinco diferentes temperaturas (600, 700, 800, 900 y 1000 °C), manteniendo constante la temperatura de estabilización (280 °C). El incremento en la temperatura de carbonización aumenta la microporosidad y reduce el contenido de nitrógeno en NFC. Esta disminución favorece la eliminación de nitrógenos piridínicos, pirrólicos, grupos funcionales C ≡ N y predominio de nitrógenos cuaternarios/grafíticos, responsables de mejorar la actividad electrocatalítica en reacciones de reducción de oxígeno (RRO); estas especies de nitrógeno se ven favorecidas a una temperatura de calcinación de 900 °C. Finalmente, para la captura de CO2, la mayor capacidad adsortiva de CO2 se observa en materiales carbonizados a 850 °C |
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