Materiales de carbono porosos dopados para el almacenamiento y producción de energía

Abstract

En la presente Tesis Doctoral se aborda el diseño y la fabricación de materiales de carbono porosos dopados para el almacenamiento y producción de energía eléctrica. La primera parte del trabajo está centrada en la síntesis de diferentes materiales de carbono porosos dopados con nitrógeno con unas propiedades texturales y químicas que han sido optimizadas en relación con su empleo como electrodos en supercondensadores. La mejora del comportamiento electroquímico se llevó a cabo mediante un adecuado diseño de las propiedades del material. Primero, se sintetizaron cápsulas y microesferas de carbono, mediante la técnica de nanomoldeo, y los materiales obtenidos fueron empleados como supercondensadores en varios electrolitos, ofreciendo altos valores de capacidad y energía. Por otra parte, se desarrolló un procedimiento sencillo basado en la carbonización directa de sales de citratos para dar lugar a materiales de carbono mesoporosos dopados con nitrógeno. Por último, se investigó el empleo como precursor de carbono de biomasa residual, harina de soja desgrasada. A partir de este precursor se sintetizaron con éxito materiales de carbono altamente microporosos y dopados con nitrógeno, los cuales fueron estudiados como electrodos en supercondensadores en medio acuoso. La segunda parte de la tesis se centró en la síntesis y el empleo de diferentes materiales de carbono porosos dopados con nitrógeno como electrocatalizadores en la reacción de electro-reducción de oxígeno (ORR) en pilas de combustibles. Inicialmente, se investigó la síntesis de este tipo de electrocatalizadores a partir de la carbonización directa de sales de citrato. Por otra parte, se fabricaron microesferas de carbono dopadas con nitrógeno con una porosidad modulable con el objetivo de analizar el efecto que la distribución de tamaños de poro tiene sobre la actividad catalítica en la reacción de ORR. Finalmente, se estudió el empleo como electrocatalizadores de cápsulas de carbono mesoporosas co-dopadas con nitrógeno y hierro, las cuales ofrecieron una actividad catalítica superior a la del platino comercial en medio básico y comparable en medio ácido.