Materiales de carbono mesoporosos dopados obtenidos mediante técnicas de nanomoldeo

Abstract

[EN] The main objective of this work is to develop methods of synthesis based on nanotemplating techniques that allow the preparation of mesoporous carbon materials doped with heteroatoms. For this purpose, two approaches have been followed, which differ in the method used to infiltrate the template: i) chemical vapor deposition (CVD) and ii) liquid-phase infiltration. In both cases, the variables of preparation have been systematically studied and they have been related to porosity, structure and surface chemistry of the resulting carbons. Using the first strategy, we have prepared ordered mesoporous carbons (CMOs) doped with O (up to 9 wt.%) by oxidation with HNO3 or H2O2 of undoped CMOs prepared by CVD. It has been proved that it is possible to introduce different oxygen-containing groups by modifying the type of oxidizing agent, its concentration or the treatment time, without altering the porous texture or the structure of the starting CMC. N-doped CMOs have been prepared by CVD with acetonitrile (up to 9.4 wt.% N). The characteristics of the resulting carbon mainly depend on the infiltration degree of the template. In the second approach, aromatic polyamides were used, for the first time, as precursors for the preparation of CMOs doped with N, O and/or P by nanotemplating. Such precursors have been proved to be very versatile in the synthesis of CMOs with different characteristics, since the type of the resulting CMO, the structural order degree, porous texture and surface chemistry (amount and nature of functional groups) vary depending on the preparation variables (type of precursor, polymerization method, carbonization conditions). Highly porous carbons have been prepared (surface areas and pore volumes up to 1883 m2/g and 3.01 cm3/g, respectively) and N, O and P contents up to 9.6, 10.2 and 5.4 wt.%, respectively. Finally, we have demonstrated the effect of surface chemistry on various interesting applications including CO2 capture, adsorption of dyes in solution or controlled release of drugs.

[ES] El presente trabajo tiene como objetivo principal desarrollar métodos de síntesis basados en técnicas de nanomoldeo que permitan la obtención de materiales de carbono mesoporosos dopados con heteroátomos. Para ello, se han seguido dos estrategias que difieren en el método utilizado para infiltrar la plantilla: i) depósito químico en fase vapor (CVD) y ii) infiltración en fase líquida. En ambos métodos se han estudiado sistemáticamente las variables de preparación y se han relacionado éstas con la porosidad, estructura y química superficial de los carbones obtenidos. A través de la primera estrategia, se han preparado carbones mesoporosos ordenados (CMOs) dopados con O (hasta el 9% en peso) mediante oxidación con HNO3 o H2O2 de CMOs no dopados preparados por CVD. Se ha demostrado que es posible introducir distintos grupos funcionales oxigenados modificando el tipo de agente oxidante, su concentración o el tiempo de tratamiento, sin alterar ni la textura porosa ni la estructura del CMO de partida. Mediante CVD con acetonitrilo se han preparado CMOs dopados con N (hasta el 9.4 % en peso). Las características del carbón resultante dependen fundamentalmente del grado de infiltración de la plantilla. En la segunda estrategia se han utilizado, por primera vez, poliamidas aromáticas como precursores para la obtención de CMOs dopados con N, O y/o P mediante nanomoldeo. Estos precursores han demostrado ser muy versátiles en la preparación de CMOs con diferentes características, ya que el tipo de CMO obtenido, su grado de orden estructural, textura porosa y química superficial (cantidad y naturaleza de grupos funcionales) varían en función de las variables de preparación (tipo de precursor, método de polimerización, condiciones de carbonización). Se han preparado carbones altamente porosos (áreas superficiales y volúmenes de poro hasta 1883 m2/g y 3.01 cm3/g, respectivamente) y contenidos en N, O y P de hasta el 9.6, 10.2 y 5.4% en peso, respectivamente. Finalmente, se ha demostrado el efecto de la química superficial en diferentes aplicaciones de interés como la captura de CO2, la adsorción de colorantes en disolución o la liberación controlada de medicamentos.