Funcionalización covalente de nanotubos de carbono y grafeno para su aplicación en catálisis

Abstract

Los nanotubos de carbono y el grafeno son dos nanomateriales de reciente descubrimiento que encuentran aplicación en numerosos campos. Sus excelentes propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas y químicas hacen que sean útiles para la fabricación desde dispositivos electrónicos a sistemas de liberación de fármacos. Además, muchos sistemas catalíticos emplean en alguna fase del proceso nanotubos de carbono o grafeno. En esta Tesis Doctoral se ha estudiado la integración de nanotubos de carbono y óxido de grafeno en sistemas catalíticos conocidos, como son los procesos de reducción de sustratos insaturados por medio de transferencia de hidrógeno catalizados por complejos de tipo carbeno N-Heterocíclicos de iridio. Se describen las estrategias empleadas para la preparación de soportes, el diseño de las rutas de funcionalización de las nanoestructuras con los complejos metálicos y la actividad catalítica de los materiales híbridos finales. Para tal fin, nanotubos de carbono y grafito fueron oxidados para el desarrollo de grupos funcionales oxigenados que permitiesen la funcionalización de los nanomateriales con los complejos. A lo largo del Trabajo se hizo especial esfuerzo en realizar la caracterización de todas las muestras involucradas La funcionalización de nanotubos de carbono oxidados a través de sus grupos carboxilo permitió generar catalizadores soportados con mejor actividad catalítica que sus correspondientes sistemas homogéneos, presentando además excelente ciclabilidad y estabilidad al aire, en claro contraste con los sistemas análogos no soportados. La química superficial del soporte controla la actividad catalítica del sistema final, siendo necesaria una determinada cantidad y tipo de grupos funcionales oxigenados. Para la generación de catalizadores de óxido de grafeno se diseñó una estrategia de funcionalización novedosa, consistente en su modificación con conectores orgánicos a través de los grupos hidroxilo superficiales. Se comprobó la selectividad de las reacciones en materiales en los que habían sido eliminados los grupos carboxilo mediante reducción térmica. Estos últimos fueron los que presentaron mejor actividad catalítica, superior a los sistemas homogéneos y con buena ciclabilidad y estabilidad al aire. El estudio del entorno local del complejo de iridio reveló la existencia de un enlace directo entre el metal y el soporte, lo que influye en la actividad catalítica del sistema. Se vio que la presencia de defectos estructurales en las redes aromáticas afecta negativamente a la actividad de los catalizadores, siendo la proporción de grupos funcionales oxigenados del soporte determinante para las uniones estabilizantes con el centro metálico.