Materiales de carbono micro-mesoporosos obtenidos mediante nanomoldeo

Abstract

Las aplicaciones actuales de los materiales de carbono exigen el ajuste de sus propiedades en función de los requerimientos en cada aplicación. Esto implica el desarrollo de nuevos métodos de síntesis que permitan un control preciso de las propiedades finales de los carbones en términos de porosidad, estructura o química superficial. En este contexto, el desarrollo de materiales de carbono con estructura porosa jerárquica resulta de especial interés gracias al potencial que presentan. Dentro de las distintas posibilidades, los materiales con una microporosidad uniforme (donde se produzcan los fenómenos de adsorción) y otra región uniforme de mesoporos (que faciliten el trasporte de moléculas hacia y desde los microporos) son de especial interés en múltiples aplicaciones. Por lo tanto, es interesante disponer de métodos de síntesis que permitan preparar estos materiales con distribuciones bimodales (micro-meso) de tamaños de poro de una manera controlada y reproducible. Entre los métodos de control de la porosidad, la técnica del nanomoldeo es un procedimiento muy prometedor para alcanzar dicho fin. Así, el presente trabajo tiene como objetivo principal el desarrollo de nuevos métodos de síntesis que permitan la preparación de materiales de carbono con una estructura ordenada y con una porosidad jerárquica en el intervalo de los micro-mesoporos. Para ello, se han abordado tres metodologías diferentes cuyo denominador común ha sido el uso del nanomoldeo como técnica de control de tamaño de poro: i) desarrollo de la microporosidad, mediante activación física o química, en carbones mesoporosos ordenados; ii) replicación mediante depósito de carbono en fase vapor de alumininosilicatos micro-mesoporosos y iii) síntesis "one-pot" de carbones jerárquicos mediante el co-ensamblaje de silicatos, copolímeros de bloque y precursores de carbono derivados de la biomasa. En los tres métodos se ha llevado a cabo un estudio sistemático de las variables de preparación y se han relacionado éstas con la porosidad y la estructura de los carbones obtenidos. La activación física de los carbones mesoporosos ordenados produce un considerable aumento de la microporosidad y un ensanchamiento colateral de la mesoporosidad. En el caso de la activación química, la microporosidad aumenta al aumentar la temperatura de activación y la cantidad de agente activante, pero provoca un gran deterioro de la estructura mesoporosa ordenada cuando las condiciones de activación son demasiado agresivas. Para solventar este problema, se planteó una metodología novedosa consistente en la activación directa del material compuesto carbón/plantilla. Así, se consiguen preparar carbones jerárquicos con superficies específicas mayores de 1700 m2/g preservando la estructura ordenada de los mismos. La segunda ruta permitió ejercer un verdadero control tanto de la porosidad como de la estructura. Se prepararon aluminosilicatos formados por un núcleo microporoso de zeolita y una capa mesoporosa de sílice ordenada. Se establecieron las condiciones óptimas para la infiltración de tanto la micro como la mesoporosidad de estas plantillas. Mediante esta estrategia se obtuvieron carbones altamente ordenados con estructura núcleo/corteza y con áreas superficiales de hasta 1323 m2/g. En la tercera ruta se ajustan las interacciones entre el agente director de estructura, el precursor de silicio y el precursor carbonoso mediante la variación de las condiciones de síntesis en un proceso sol-gel. La principal ventaja de esta última ruta es su simplicidad ya que es un proceso "one-pot" mediante el cual se obtuvieron de manera sencilla carbones con porosidad jerárquica.