Materiales de carbono obtenidos por nanomoldeo


Los materiales de carbono pueden usarse en nuevas aplicaciones tales como el: almacenamiento de gases (H2, CH4);  ánodos de baterías de litio; electrodos de condensadores de doble capa; soporte de electrocatalizadores en pilas de combustión, inmovilización/adsorción de grandes biomoléculas (enzimas, proteínas, fármacos, etc.); formación de materiales híbridos (C-orgánico ó C-inorgánico), etc. En todas estas aplicaciones, la porosidad del material de carbono es la propiedad fundamental. Cada una de estas aplicaciones tiene unos condicionamientos muy específicos en cuanto a  la porosidad óptima del material de carbono. Esto significa que para cada aplicación las propiedades estructurales del material deberán ser diferentes y adaptadas a unas exigencias muy concretas. Los materiales de carbono poroso clásicos (carbones activos) no poseen estas características, ya que su porosidad esta formada por una amplia gama de poros, generalmente <2 nm, pudiendo alcanzar el rango de los mesoporos, pero siempre con distribuciones de tamaños bastante amplias (microporos-mesoporos). La razón de que la estructura porosa de los carbones activos no se pueda ajustar a los requisitos mencionados, reside en el hecho de que los métodos tradicionales de activación (activación química o activación física) no resultan adecuados para lograr un buen control de las propiedades estructurales del material activado. Una técnica para obtener materiales de carbono que se adapten a estos requisitos es la conocida con el nombre de nanomoldeo (nanocasting). Esta técnica ha sido desarrollada a partir de los años 1990s y se basa en el uso de materiales inorgánicos porosos que son utilizados como moldes para sintetizar materiales de carbono poroso. El material inorgánico más ampliamente usado como molde ha sido la sílice porosa (silicagel o sílice mesoestructurado), aunque también se han empleado zeolitas, alúmina e incluso materiales poliméricos. Básicamente, esta técnica incluye las siguientes etapas:
  • Selección del material inorgánico usado como nanomolde. Se parte de un material poroso generalmente inorgánico (sílice, zeolitas, alúmina). Las propiedades estructurales del material inorgánico (morfología, tamaño de partícula, porosidad) condicionarán las del carbono poroso. Por ello será importante una adecuada elección del material inorgánico en función de las propiedades deseadas.
  • Impregnación de la porosidad del material inorgánico con un precursor de carbono. Se pueden emplear diferentes técnicas de impregnación: (i) Depósito químico en fase de vapor (CVD) i.e. descomposición térmica a elevada temperatura de un hidrocarburo como el benceno, acetileno u otros. (ii) Relleno a porosidad del material inorgánico por  impregnación con un polímero (resina fenólica, etc.) o un pre-polímero (alcohol furfurílico, pirrol, sacarosa, etc.) que luego se polimerizará dentro de los poros con ayuda de algún catalizador.
  • Carbonización del composite polímero/material inorgánico (esta etapa no existirá en el caso de que la infiltración ocurra por CVD). Este proceso se realizará en atmósfera inerte (N2 o vacío) a temperaturas en el rango 700-1000ºC. En esta etapa el polímero se descompone transformándose en carbono. Es importante a este respecto, elegir materiales poliméricos que tras la carbonización dejen un alto residuo de carbono.
  • Eliminación selectiva del esqueleto inorgánico. El composite carbono/material inorgánico formado en la etapa anterior se tratará con un agente químico (HF, NaOH, etc.) que elimine selectivamente el material inorgánico dejando inalterado el carbono formado.
 El carbón poroso obtenido mediante estos procedimiento resulta ser una replica inversa del material inorgánico (el esqueleto del material inorgánico será la porosidad del carbono). Este proceso de replicación no solo se circunscribe a la porosidad del material, sino que se extiende tanto a la morfología como al tamaño de las partículas. En este sentido, la elección del material inorgánico usado como molde determinará las siguientes características estructurales del carbono: (i) El tamaño de poro, el cual vendrá condicionado por las características del esqueleto del material inorgánico (espesor de pared). (ii) La morfología, pudiendo sintetizarse materiales de carbono poroso con una gran variedad de morfologías (esferas, cápsulas, cilindros, tubos, biomorfologias, etc.). (iii) El tamaño de partícula, pudiendo  obtenerse materiales de carbono poroso con tamaños muy uniformes desde 100 nm hasta varias micras.

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