Desarrollo de nanoestructuras de carbono de dimensión controlada

Desarrollo de nanoestructuras de carbono de dimensión controlada


Los nanomateriales de carbono han atraído el interés de los investigadores que trabajan en la sostenibilidad de próxima generación y las tecnologías renovables debido a sus notables propiedades físicas y químicas, como la ligereza, la alta conductividad y la inercia química. Un estudio publicado recientemente en la revista carbón propone un método único para fabricar nanoestructuras de carbono controladas dimensionalmente basadas en compuestos organometálicos.

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​​​​​​Estudio: nanoestructuras de carbono grafítico dopadas con N controladas dimensionalmente mediante conversión catalizada por metal a baja temperatura de C3N4 para una barrera electroquímica de alto rendimiento en baterías de litio-azufre. Crédito: Black_Kira/Shutterstock.com

Uso de nanomateriales de carbono para el ahorro de energía

La importancia de generar nuevas formas de energía queda ilustrada por el hecho de que el consumo de combustibles fósiles está aumentando a un ritmo sorprendente debido al desarrollo económico internacional, el aumento de la población y la creciente dependencia social de los aparatos que funcionan con energía.

Para lograr este objetivo, las tecnologías para mejorar la producción de energía (p. ej., paneles solares y biocombustibles) y el almacenamiento (p. ej., supercondensadores y pilas de combustible recargables) se están investigando exhaustivamente en todo el mundo. La nanotecnología ha abierto nuevas posibilidades en la ciencia e ingeniería de materiales. Los nanomateriales de carbono, en particular, son una tecnología esencial para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento.

En comparación con los materiales energéticos tradicionales, los nanomateriales de carbono tienen varias propiedades notables que dependen del tamaño/superficie (por ejemplo, estructurales, electromagnéticas, fotónicas y físicas) que se pueden utilizar para mejorar la producción de energía y la eficiencia del almacenamiento.

Síntesis controlada dimensionalmente de nanomateriales de carbono: un gran desafío

Las morfologías, las dimensiones y las propiedades superficiales de los nanomateriales de carbono juegan un papel importante en la determinación de sus actividades para aplicaciones específicas de generación y conservación de energía. Sin embargo, la fabricación de nanomateriales de carbono dimensionalmente controlados con procesabilidad física y química sigue siendo un gran desafío.

Los métodos actuales se limitan a cambiar las características y estructuras existentes, lo que requiere procedimientos complejos y que consumen mucho tiempo. Por lo tanto, es crucial proporcionar una plataforma sintética accesible capaz de diseñar nanomateriales de carbono dimensionalmente controlables con funcionalidades críticas para aplicaciones específicas.

Baterías de litio-azufre (Li-S): su importancia y limitaciones

Las baterías que van más allá de las limitaciones fundamentales de la plataforma de iones de litio (Li-Ion) son fundamentales para alejarse de los combustibles fósiles. Las baterías de litio-azufre (Li-S) se encuentran entre los más avanzados de estos sistemas «Beyond Li-Ion». En las celdas de Li-S, el cátodo rico en metales de las celdas de iones de litio se reemplaza por azufre elemental relativamente económico y abundante.

Las baterías de Li-S se alimentan mediante un «proceso de conversión». Para transferir la energía contenida dentro de la celda, el azufre elemental y el litio se combinan para crear una serie de sustancias de azufre que contienen litio llamadas polisulfuros. Sin embargo, un problema importante con las baterías de Li-S es que sufren cambios de polisulfuro y tasas de respuesta lentas.

Una nueva estrategia sintética para nanomateriales de carbono

En este estudio, los investigadores desarrollaron un enfoque de síntesis flexible para nanomateriales de carbono 1D y 2D, aprovechando diferentes actividades de grafitización según los iones metálicos utilizados. Se utilizaron procesos de acoplamiento dependientes del pH entre iones metálicos y monómeros de ácido tánico para producir los compuestos organometálicos. Para proporcionar fuentes de nitrógeno, se combinaron más moléculas de melamina con estos compuestos.

El tratamiento térmico directo de los compuestos organometálicos obtenidos condujo a la síntesis de nitruro de carbono grafítico (g-C3N4) mediante policondensación de ácido tánico y melamina. g-C3N4 se convirtió en nanoestructuras de carbono dopadas con N y nanopartículas metálicas que decoraban la capa de carbono durante el procesamiento térmico.

Nanomateriales de carbono como barrera electroquímica en baterías de Li-S

Los materiales desarrollados en este trabajo se pueden utilizar como barrera electroquímica en baterías de Li-S para limitar el movimiento de polisulfuro y aumentar la capacidad de almacenamiento.

Debido a las regiones de interacción dopadas con nitrógeno, los nanomateriales de carbono 1D y 2D muestran una excelente capacidad de recolección de polisulfuro cuando se usan como barrera en las baterías de Li-S.

Conclusiones clave del estudio

Basándose en las interacciones organometálicas, el investigador desarrolló una estrategia sencilla para producir nanomateriales multifuncionales de dimensiones controladas. Se ha demostrado exhaustivamente que los iones metálicos afectan el comportamiento de grafitización de los compuestos organometálicos, lo que da como resultado nanoestructuras de carbono de diferentes dimensiones en función de la propensión a la oxidación de los iones metálicos.

Las moléculas de nitrógeno en la superficie de los nanomateriales de carbono dieron a los nanomateriales capacidades adicionales además de su forma dimensional característica. Por lo tanto, como barreras electroquímicas para paquetes de baterías de Li-S, los nanomateriales de carbono preparados mostraron un rendimiento excepcional de bloqueo de polisulfuro de litio, así como un notable efecto catalítico en el proceso de conversión.

Se espera que el proceso de fabricación propuesto en este estudio allane el camino para la producción de nanomateriales de carbono únicos e impulse nuevos avances en la investigación sobre energía y cambio climático.

referencia

Parque, JS et al. (2022). Nanoestructuras de carbono grafítico dopadas con N controladas dimensionalmente mediante conversión catalizada por metal a baja temperatura de C3N4 para una barrera electroquímica de alto rendimiento en baterías de litio-azufre. carbón. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622322003657?via%3Dihub

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