Espumas de carbono con propiedades avanzadas derivadas de carbones bituminosos

Abstract

Las espumas de carbono y de grafito son materiales de carbono con excelentes prestaciones tecnológicas, cuyas propiedades pueden variar en un amplio rango, en función del precursor y del método de síntesis. El empleo de carbones como precursores de las espumas representa una alternativa económica muy interesante frente a otros precursores grafitizables, como las breas o los polímeros. El objetivo de esta tesis es la síntesis de espumas derivadas de carbones bituminosos con propiedades avanzadas, que permitan ampliar su campo de aplicaciones más allá de las de carácter térmico o estructural, más habituales. Para ello, aborda la obtención de espumas de carbono con un alto grado de ordenamiento estructural, así como el diseño de espumas con una estructura jerárquica macro y microporosa. En la primera parte de esta memoria, se evaluó inicialmente el efecto del carbón precursor sobre el grado de ordenamiento estructural de las espumas grafíticas. Posteriormente, se propuso la posibilidad de obtener espumas con un elevado grado de grafitización, mediante el dopado con boro. Las espumas dopadas fueron caracterizadas de forma exhaustiva, con objeto de analizar el efecto que ejercen la temperatura de grafitización (2400-2800 ºC), la carga de dopante (07.5-10%) y su naturaleza (inorgánica: B2O3, B4C; orgánica: C5H5N:BH3), sobre los parámetros cristalinos y el grado de intercalación del B en la estructura grafítica (concentración final y distribución). Los ensayos termogravimétricos de oxidación revelaron un incremento de la temperatura de ignición en las espumas dopadas, conforme aumenta la concentración de dopante. Este efecto es consecuencia del mayor grado de orden estructural alcanzado, así como de la formación de una película de óxido de boro durante el ensayo. Concretamente, al adicionar un 10% de óxido de boro, la espuma resultante mostró ser térmicamente resistente por encima de 900 ºC, siendo este valor superior al alcanzado cuando se empleó un recubrimiento de metafosfato de aluminio (850 ºC). No obstante, a bajas concentraciones, el B sustitucional puede ejercer un efecto catalítico sobre la oxidación. Por otro lado, se estudió el comportamiento electroquímico de las espumas dopadas en baterías ión-litio. En ciertos casos, los valores de capacidad reversible obtenidos fueron muy similares a los mostrados por grafitos comerciales, sintetizados a mayor temperatura y a partir de precursores de mayor coste. Asimismo, las conclusiones obtenidas de este estudio contribuyen a mejorar el conocimiento sobre el comportamiento electroquímico de los materiales dopados con boro. Los resultados obtenidos revelaron que, para alcanzar un rendimiento electroquímico óptimo, es necesario lograr un compromiso entre el grado de grafitización y las cantidades de boro sustitucional y carburo de boro presentes en las espumas dopadas. En la segunda parte de la memoria, se propuso un método para el desarrollo de microporosidad en las espumas de carbono, consistente en el empleo de agentes activantes químicos (KOH, ZnCl2), durante la etapa de espumado, seguido de una posterior carbonización entre 500 y 800 ºC. Las espumas resultantes presentaron, por un lado, una estructura macroporosa con poros entre 100 y 10 µm, y una microporosidad constituida principalmente por poros de tamaño inferior a 1 nm. Posteriormente, se evaluó el comportamiento de las espumas activadas como sorbentes de CO2 a 25 ºC, mediante análisis volumétrico. Las espumas activadas con KOH demostraron tener mayor capacidad para adsorber CO2 que las activadas con ZnCl2, debido a su mayor volumen de microporos estrechos (< 0.8 nm) y a su carácter más básico. Asimismo, dichas espumas presentaron valores comparables a dos carbones activos comerciales, junto con una excelente ciclabilidad y selectividad frente al N2.