Grafenos procesables en fase líquida con características optimizadas mediante el control microscópico de su estructura

Resumen

El objetivo principal de la tesis doctoral consiste en desarrollar estrategias que permitan mejorar las características de grafeno producido en fase líquida mediante la ruta del óxido de grafito, de modo que se pueda compatibilizar la relativa simplicidad y alto rendimiento de dicha ruta con la perfección estructural de las láminas de grafeno generadas mediante otros métodos. El desarrollo de dichas estrategias se ha apoyado en el estudio detallado de las láminas mediante diferentes técnicas de caracterización que también han permitido evaluar su efectividad. Se estudió el proceso de reducción del óxido de grafito exfoliado (óxido de grafeno) mediante reactivos químicos o radiación ultravioleta. El exámen del óxido de grafeno reducido mediante distintos agentes, que permiten distintos grados de reducción, indica que este proceso elimina primordialmente los grupos funcionales oxígenados más lábiles, situados en el plano basal. Además, las imágenes por microscopía de efecto túnel a escala atómica muestran que las láminas reducidas desarrollan dominios ordenados, cuyo tamaño depende del grado de reducción, en convivencia con regiones todavía oxidadas. Por otra parte, es posible conseguir un alto grado de reducción de las dispersiones coloidales de óxido de grafeno mediante irradiación con luz ultravioleta sin necesidad de fotocatalizadores o reactivos químicos. Además, es posible aprovechar el ambiente reactivo que se genera en las láminas para degradar un contaminante como la rodamina B o para la preparación de materiales híbridos ¿grafeno-nanopartícula de oro¿ que pueden ser usados como substratos para espectroscopía Raman amplificada por superficie y como catalizadores. También se estudió el curado de las láminas de óxido de grafeno reducido química-mente mediante tratamientos térmicos a alta temperatura. La eliminación completa de los grupos funcionales en el óxido de grafeno se logra a temperaturas moderadamente elevadas (1500 °C). El curado estructural definitivo de las láminas requiere la eliminación de las vacantes generadas durante la sustracción de los grupos funcionales. Este proceso está gobernado por la migración de vacantes hacia los bordes de las láminas, que conducirá al curado de éstas siempre que el tamaño de las vacantes y/o su densidad no sean demasiado grandes. Esta condición se satisface en el óxido de grafeno reducido químicamente pero no en el óxido de grafeno sin reducir. La eliminación definitiva de las vacantes atómicas requiere la utilización de temperaturas en torno a 1800-1950 °C si las láminas están depositadas sobre un substrato inerte, como las terrazas prístinas del grafito. Si las láminas se encuentran sobre un substrato reactivo, tal como cuando se encuentran ensambladas formando un filme, las interacciones interlaminares (enlaces covalentes entre átomos de carbono insaturados en bordes de vacantes) entorpecen la migración de las vacantes hacia los bordes de las láminas y el curado definitivo requiere temperaturas aún más altas, en torno a 2400 °C. Por último, se estudió la influencia de las vacantes atómicas sobre las propiedades eléctricas del grafeno. Para ello se recurrió a grafeno de mayor calidad estructural, producido mediante depósito químico en fase vapor. Mediante plasma de oxígeno generado por microondas se consiguieron densidades de vacantes en el rango de 103-105 ¿m-2 variando la intensidad del plasma y el tiempo de exposición. La introducción de vacantes produjo un exceso neto de portadores de carga positiva (dopaje tipo p) y un descenso de la movilidad de los portadores de carga, que se atribuye a la dispersión de dichos portadores por las vacantes.