Preparación de Grafenos por Vía Química Patricia Álvarez, Rosa Menéndez Instituto Nacional del Carbón, CSIC, Oviedo GRAPHeNE, Kick-off meeting, Mayo 2011
Preparación de grafenos por vía química A partir de Grafito Óxido de grafeno Reducción del óxido de grafeno Vía Química Vía Térmica Aplicaciones
Grafenos a partir de grafito Oxidación Óxido de grafito Grafito Exfoliación Óxido de grafeno Reducción Grafeno
Potencia específica (W/Kg) condensadores Necesidad de controlar las características de la lámina (Tamaño, defectos estructurales, grupos funcionales ) 10 7 Esquema de un catalizador multi-funcional soportado para reacciones en casacada 10 6 10 5 10 4 Reactivo Producto final 1000 condensadores electroquímicos 100 10 baterías pilas de combustible 1 0.01 0.1 1 10 100 1000 Energía específica (Wh/Kg) Organometálico Producto 1 Producto 2 Complejo Aplicaciones en energía Grupo ácido o básico
Óxidos de grafeno-incar Estrategia: Efecto de las características texturales del grafito de partida en las propiedades de los óxidos de grafeno Grafito Grafitos sintetizados en el laboratorio con cristalinidad controlada y homogéneas Óxido de grafito Propiedades texturales Óxido de grafeno Posibilidad de obtener precursores industrialmente
Propiedades de los grafitos G1 G2 50 µm 50 µm 100 µm C (%) Cenizas (%) 100 µm G1 99.52 0.02 262,02 654,09 Lc La OT (bloque) Flow domains (>100 µm) G2 100.38 0.01 190,74 435,50 Mosaics (1.5-5 µm) Estructura de cristal homogénea y diferente
Óxidos de grafeno Óxido de grafeno. AFM 500nm Influencia sobre el tamaño de lámina
C/s C/s Óxidos de grafeno Distinta funcionalidad XPS 0.3 0.2 GO1 Csp2 Csp3 C-O C-O-C COOH 0.3 0.2 GO2 Csp2 Csp3 C-O C-O-C COOH 0.1 0.1 0 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 Binding energy (ev) 0 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 Binding energy (ev) TGA GO2 GO1 Grupos funcionales dependientes del grafito de partida FTIR
Óxidos de grafeno Estabilidad de las láminas GO1 GO2 Suspensiones coloidales de óxidos de grafeno en H2O, THF y NMP, después de 6 semanas
HRTEM Óxidos de grafeno GO1 GO2 Grafito G2 (tamaño de cristal menor) mas reactivo que G1 y da lugar a laminas de óxido de grafeno con más defectos
Preparación de grafenos por vía química A partir de Grafito Óxido de grafeno Reducción del óxido de grafeno Vía Química Vía Térmica Aplicaciones
Reducción de óxido de grafeno Grafeno Reducción química Inconvenientes: *Limpieza de grafenos *Poca selectividad en la reducción *Deterioro de las laminas de grafeno Ventajas: *Grupos funcionales remanentes reactivos Óxidos de Grafeno Reducción térmica Ventajas: *Mayor rendimiento *Fácil escalado *Grafenos con mejor conductividad Inconvenientes: *Selectividad de grupos funcionales remanentes menos reactivas
Intensity (arb. unit) Intensity (arb. unit) Intensity (arb. unit) 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Reducción Química- H2N4 Óxido de grafeno C=C, C-H.. COC O=C-OH Normal Counts C-C,C-H C-OH C=O O=C-OH Reducción de grupos funcionales 0 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 C-OH Binding energy (ev) 0.3 0.25 0.2 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 Grafeno parcialmente reducido C=C, C-H.. Normal Counts C-C,C-H Peak-1 C-OH Peak-2 C=O Peak-3 Peak-4 O=C-OH 0.15 0.25 Restitución de C=C 0.1 0.05 0 0.2 0.15 C-OH 0.1 COC 0.05 O=C-OH 0 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 282 283 284 285 286 287 Binding energy 288(eV) 289 290 291 292 Binding energy (ev)
Reducción Química- H2N4 Influencia de la estructura del óxido de grafeno en las propiedades de lámina del grafeno parcialmente reducido G1R Poco soluble en agua Diferente tendencia a formar agregados dependiendo de las propiedades (tamaño, etc) de lámina Estrategias: *Mezclas de disolventes *Utilización de surfactantes *Moleculas que estabilizen la monolámina en suspensión
Óxido de grafeno reducido químicamente. SEM
Óxido de grafeno reducido químicamente. TEM TEM
Reducción térmica Grupos funcionales por TPD XPS OG-700 Lactonas, pironas, quinonas 4000 3500 3000 2500 GOTR1000 GOTR800 GOTR700 GO OG-800 Pironas 2000 1500 1000 500 0 280 282 284 286 288 290 292 OG-1000 Sin grupos funcionales oxigenados Menor rendimiento al incrementar la temperatura Selectividad hacia grupos funcionales menos reactivos
Óxido de grafeno reducido térmicamente. SEM
Óxido de grafeno reducido térmicamente. SEM
Óxido de grafeno reducido térmicamente. TEM
Preparación de grafenos por via química A partir de Grafito Óxido de grafeno Reducción del óxido de grafeno Vía Química Vía Térmica Aplicaciones
Ce (F/g) Aplicaciones en supercondensadores Potencia específica (W/Kg) condensadores Aplicación en supercondensadores 10 7 Supercondensadores 10 6 10 5 35 30 25 grafenos nanotubos 10 4 1000 100 condensadores electroquímicos 20 15 10 10 baterías pilas de combustible 1 0.01 0.1 1 10 100 1000 Energía específica (Wh/Kg) 5 0 0 20 40 60 80 100 I (ma/g) Este tipo de nanomateriales no presentan caída de Ce con la densidad de corriente Los grafenos presentan mayor Ce (menor área BET en las condiciones estudiadas) Posible mejora de la accesibilidad del electrolito
Aplicaciones en baterías de Vanadio Aplicación en baterías de vanadio Fieltro de grafito MWCNT GRAFENO Mayor reversibilidad de nanotubos y grafenos Incremento de la capacidad de almacenamiento en los grafenos
Aplicaciones en sistemas de imagen 0.15 mm gap con grafeno. Desarrollo de sistemas de imagen electromagnéticos avanzados que operen en la banda submilimétrica y terahercios, compactos, y de alta velocidad de adquisición
Grupo de Materiales Compuestos