Preparación y modificación de láminas bidimensionales de grafeno y mos2 para aplicaciones energéticas y medioambientales

Resumen

El objetivo de esta tesis consiste en la preparación y procesado, mediante métodos en fase líquida, de nanoláminas bidimensionales de grafeno y MoS2 para aplicaciones energéticas y medioambientales. Utilizando como cátodo piezas de grafito y MoS2 se obtuvieron, mediante exfoliación electroquímica en medio acuoso, grafeno y nanoláminas de MoS2, respectivamente. Se optimizaron diferentes parámetros del proceso. Entre los distintos tipos de grafito de partida utilizados para la producción de grafeno (grafito flexible, barras de grafito y grafito pirolítico altamente orientado), el grafito flexible es el que condujo a mayor rendimiento en producto expandido. En cuanto al electrolito, ciertas sales de amonio cuaternario de tamaño apropiado resultaron óptimas para maximizar la expansión del electrodo y el rendimiento en grafeno, alcanzándose valores de cerca del 50%. El grafeno obtenido mediante este proceso posee un bajo grado de oxidación, una alta calidad estructural y una buena conductividad eléctrica. Se empleó el grafeno obtenido por exfoliación catódica como electrodo para supercondensadores, fabricando un híbrido mediante la adición de una pequeña cantidad de óxido de cobalto en forma de nanoláminas verticalmente orientadas. Éstas últimas proporcionan pseudocapacitancia y funcionan como espaciador, impidiendo el reapilamiento del grafeno. El alto grado de hidrofobicidad del grafeno obtenido lo hace también útil como adsorbente de contaminantes acuosos, tales como aceites y colorantes. En este caso, se recubrió una esponja de melamina con el grafeno exfoliado, evitando así el reapilamiento de las láminas y la consecuente pérdida de superficie específica, obteniéndose una estructura macroscópica de baja densidad y fácilmente manejable, lo que a su vez facilitaba su regeneración tras el uso. La exfoliación electroquímica catódica de MoS2 se llevó a cabo utilizando como electrolitos sales comunes, como el KCl, en las condiciones adecuadas. La exfoliación no provoca cambio de fase (se conserva la fase 2H) ni oxidación del material. Las nanoláminas de MoS2 obtenidas se estudiaron como catalizador para la reducción de nitroarenos y como electrodo para supercondensadores, formando híbridos con nanotubos de carbono de capa simple, que proporcionan conductividad eléctrica y actúan como espaciadores. Los materiales resultaron competitivos en ambas aplicaciones, comparando con materiales similares preparados mediante otros métodos. Además, se llevaron a cabo tratamientos de modificación (activación) de nanoláminas de MoS2 con vistas a mejorar su actividad como catalizadores en la reducción de nitroarenos y colorantes orgánicos en agua. En este caso, se obtuvieron las nanoláminas mediante sonicación de MoS2 bulk en polvo en isopropanol y se generaron vacantes de azufre (centros activos) en ellas mediante tratamiento con hidracina. Las nanoláminas activadas mostraron valores de actividad catalítica hasta 3-4 veces mayores que los del material sin tratar.