Síntesis de materiales mesoporosos compuestos, sílice/carbono y su empleo como plataforma para la fabricación de materiales con propiedades avanzadas

Abstract

El diseño de nanomateriales se ha convertido, en los últimos años, en un campo de la nanotecnología de gran interés que evoluciona continuamente hacia la búsqueda de materiales que se adapten por completo a las exigencias de su posterior aplicación. En este sentido, el empleo de materiales compuestos que compartan las características aportadas por cada uno de sus componentes, así como otras nuevas derivadas del conjunto, supondría un gran avance. Por ello, la presente tesis doctoral aborda el diseño y la fabricación de materiales mesoporosos compuestos sílice-carbono. En la primera parte del trabajo se investigó la síntesis de composites mesoestructurados sílice-carbono con propiedades texturales definidas, a partir de la incorporación de una capa de carbono sobre la superficie interna de la sílice. Los materiales resultantes presentaron, por una lado, las características típicas de la sílice mesoestructurada, tales como una elevada área superficial (500 700 m2¿g-1), un notable volumen de poros (~ 1 cm3¿g-1) y una porosidad constituida por mesoporos de tamaño uniforme. Por otro lado, se comprobó que la capa de carbono generada tanto a partir del surfactante usado en la síntesis de la sílice como a partir de un precursor de carbono externo, recubre uniformemente la porosidad de la sílice. En ciertos casos, las propiedades químicas de los composites fueron modificadas mediante la funcionalización de la capa de carbono. Esta funcionalización se realizó a través de: i) la incorporación post-síntesis de funcionalidades oxigenadas y sulfónicas; y ii) la introducción directa de heteroátomos mediante el empleo de precursores ricos en nitrógeno o azufre. La combinación de propiedades texturales y químicas procuró un excelente comportamiento de los composites como adsorbentes de colorantes y metales pesados en fase acuosa, y como sólidos ácidos en diferentes reacciones de esterificación. En la segunda parte de la memoria se estudió el diseño de composites mesoporosos sílice-carbono de morfología esférica. Su síntesis, bien a partir del compuesto porógeno usado en la síntesis de las nanoesferas de sílice, o bien mediante la adición de un precursor de carbono, generó composites provistos de un núcleo de sílice no poroso, envuelto en una corteza de sílice con una porosidad parcialmente ocupada por la capa de carbono. La posterior eliminación selectiva de la sílice dio lugar a estructuras de morfología singular de tipo nano-sonajero. Tales composites están formados por una cápsula de carbono mesoporoso (~ 40-50 nm de espesor) en cuyo interior se encuentra confinada una esfera de sílice no porosa de tamaño modulable (entre 330-160 nm) a través del control del tiempo de acción del agente disolvente de la sílice. Finalmente, la completa eliminación de la sílice generó materiales mesoporosos de carbono con una elevada área superficial (1620 m2¿g-1), un gran volumen de poros (2.3 cm3¿g-1) y morfología de cápsula, estando ésta compuesta de un hueco macroporoso de ~ 350 nm y una capa de carbono de ~ 50 nm de espesor. Las cápsulas de carbono se emplearon como plataforma para la fabricación de composites con propiedades magnéticas mediante la inserción de nanopartículas inorgánicas sobre su corteza mesoporosa. El potencial de tales composites se demostró mediante su empleo como nano-contenedores de biomoléculas, y como bio-catalizadores en la degradación de colorantes. La recuperación de los materiales del medio líquido se realizó de una manera rápida, sencilla y eficaz a través de un imán convencional.