Síntesis y caracterización de materiales híbridos basados en bionanofibras de carbono recubiertas de sulfuro de molibdeno

Abstract

El grafito sintético comercial presenta una serie de inconvenientes para su uso como ánodo en baterías de ión litio, principalmente derivadas de su origen basado en el petróleo y de su limitada capacidad reversible teórica. Por ello, es necesario el desarrollo de nuevos materiales medioambientalmente sostenibles que sean capaces de proporcionar mayores rendimientos en las baterías. El uso de nanocomposites basados en semiconductores/material carbonoso nanoestructurados para aplicaciones en el campo de la energía ha despertado un creciente interés en los últimos años. A semejanza del grafito, los dicalcogenuros metálicos MS2 (M: Mo, W, Nb) también tienen una estructura laminar en la cual los átomos están unidos mediante enlaces covalentes formando láminas que se pueden apilar, a través de interacciones débiles tipo van der Waals o bien enrollarse a lo largo de una determinada dirección para formar estructuras tubulares. En concreto, el MoS2 presenta una estructura laminar similar a la de los materiales carbonosos nanoestucturados, de modo que las láminas se pueden enrollar de forma análoga a lo que ocurre en el caso de los nanotubos de carbono. Este Proyecto, realizado en el departamento de Energía y Medioambiente del Instituto de Carboquímica (CSIC), dentro del Grupo de Conversión de Combustibles. Tiene como objetivo diseñar y preparar materiales híbridos con estructura tubular formados por un núcleo de nanofibras de carbono (NFC) procedentes de la descomposición catalítica de biogás y, un recubrimiento de láminas de MoS2, para ser utilizados como ánodos en baterías de ión-litio recargables. En primer lugar, se llevará a cabo la preparación de las NFC en un reactor rotatorio por descomposición catalítica de biogás (metano y dióxido de carbono) y sus posteriores tratamientos. La modificación superficial se llevará a cabo de tres formas: funcionalización en medio ácido, grafitización y tratamiento térmico después de la funcionalización. De este modo, se obtienen distintos tipos y cantidades relativas de grupos oxigenados en la superficie de las NFC. Con el objeto de optimizar el método de preparación, se seleccionará una NFC funcionalizada y se llevará a cabo un estudio de los distintos métodos de recubrimiento de las nanofibras con MoS2 (precipitación, impregnación en vía húmeda e impregnación sucesiva en vía seca) para determinar, a través de su caracterización (plasma de acoplamiento inductivo, difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido y de transmisión…), cual es el método más adecuado que permita obtener recubrimientos de MoS2 homogéneos. Una vez determinado el método de síntesis más adecuado, se estudiará la influencia de los distintos grupos superficiales en el recubrimiento de las NFC, aplicando las técnicas de caracterización mencionadas anteriormente. Por último, se realizará un estudio de las variables más influyentes en el método de preparación: carga de Mo, temperatura de descomposición del precursor de Mo y gas de descomposición (N2, H2, H2/H2S) con el fin de determinar las condiciones óptimas de síntesis, reproducibles para su posterior aplicación en baterías ion-litio. La evaluación de estos materiales como ánodos en las baterías se realizará en colaboración con otro centro del CSIC (Instituto Nacional del Carbón).