Efecto de la sinterización sobre las propiedades del material TiO2-Al2O3-GnPs en función del contenido de nanoplaquetas de grafeno

Abstract

En la actualidad el acelerado aumento de la población ha causado problemas en la sociedad al verse incrementado la demanda energética para cubrir con las necesidades de los dispositivos que son primordiales en la vida cotidiana. Este elevado consumo de energía ha sido sustentado durante años con los combustibles fósiles como el carbono y el petróleo puesto que son de fácil acceso y mucho más baratos, pero esto también ha acarreado importantes problemas medioambientales los cuales son la contaminación atmosférica y el aumento del efecto invernadero ya que estas fuentes de energía son limitadas y por tanto no son viables a largo plazo. Debido a estos problemas la ciencia ha estado en búsqueda de nuevas fuentes de energías que sean muchos más limpias y amigables con el medio ambiente, por eso el desarrollo de nuevos dispositivos han aumentado significativamente en los últimos años puesto que se busca crear dispositivos que puedan almacenar la energía sostenible a largo plazo, con estabilidad, ciclo de vida muy prolongada y bajo impacto ambiental, lo cual constituye un reto importante para la electroquímica moderna y para la industria. Uno de los dispositivos de gran interés son los condensadores electroquímicos, los cuales poseen una alta densidad de potencia, tiempos cortos de carga y descarga, alta ciclabilidad y de esta forma tienen la capacidad de almacenar hasta diez mil veces más carga y energía que un condensador convencional. El aumento de energía de los condensadores electroquímicos se basa en el incremento de su capacidad, debido a la mejora simultánea de sus parámetros físicos y al aumento de los niveles de voltaje. Además, la necesidad de incrementar la densidad energética de los condensadores ha incentivado la investigación en el desarrollo de supercondensadores, que cuenten con la capacidad de proporcionar de manera simultánea una alta potencia y capacidad. 9 Entre las tendencias de los materiales que se han usado para aumentar y mejorar las propiedades encontramos los alótropos de carbono, un ejemplo de estos son el grafeno y los nanotubos de carbono. Los mecanismos de conducción del grafeno se posicionan desde una conducción metálica casi balística hasta el efecto túnel asistido por fluctuación térmica, mecanismos de saltos de rango variable y diferentes mecanismos Página 20 de 160 - Engrega de integridad 1 Identificador de la entrega trn:oid:::3117:579931806 Página 21 de 160 - Engrega de integridad Identificador de la entrega trn:oid:::3117:579931806 más exóticos. En estos materiales la existencia de defectos se considera especialmente importante puesto que gracias a esto se pueden determinar sus mecanismos de conducción y entre las propiedades más destacadas se encuentran que son muy abundantes, resistentes, impermeables, flexibles, transparentes y cuentan con una conductividad térmica alta. Las GnPs son una mezcla de grafeno multicapas con nanoestructuras de grafito con alta integridad cristalina que se producen de manera industrial a bajo costo con propiedades intrínsecas destacables como una alta conductividad eléctrica de 1460 S/cm la cual podría ser aprovechada en la fabricación de condensadores electroquímicos. Las GnPs suponen cierta facilidad de combinación con otros materiales gracias a grupos funcionales oxidados disponibles en los bordes y dicha combinación con otros materiales como los óxidos mixtos podrían mejorar las propiedades del material para su potencial uso en dispositivos de almacenamiento de energía alternos. Otros compuestos que se han usado como material de electrodos son los óxidos metálicos semiconductores puesto que cuando la composición química de la atmósfera que los rodea es alterada, estos poseen la propiedad de cambiar su resistencia eléctrica superficial. El TiO2 es un compuesto sumamente abundante en la corteza terrestre y es uno de los materiales semiconductores más estudiados y ampliamente empleados en una diversidad de productos y aplicaciones: como descontaminación medioambiental, esterilización, sistemas de purificación de aire y agua, superficies autolimpiables y producción de energía. El gran interés científico e industrial de este material está basado en su bajo costo unido a su gran estabilidad química, su muy reducida toxicidad y el efecto fotocatalítico del óxido, esto lo ha convertido en un material seguro desde un punto de vista sanitario y las aplicaciones más significativas son debido a su carácter semiconductor que permite que la luz solar sea aprovechada energéticamente. La Al2O3 es otro material ampliamente estudiado ya que se puede hallar de manera natural en el corindón y sus elevados puntos de fusión, alta dureza, excelente resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica y alta resistencia mecánica lo Página 21 de 160 - Engrega de integridad 2 Identificador de la entrega trn:oid:::3117:579931806 Página 22 de 160 - Engrega de integridad Identificador de la entrega trn:oid:::3117:579931806 convierten en un material cerámico y aislante eléctrico perfecto para usarlo en condiciones de altas temperaturas y en un potencial compuesto para elaborar un electrodo. El método sol-gel es una técnica de vía húmeda muy utilizada en ciencias de materiales, donde se parte de un material en forma de suspensión coloidal (sol) como precursor de una malla integrada (gel) de partículas discretas o de un entramado de polímeros interconectados. Esta técnica de síntesis de materiales ha sido descrita como una técnica desarrollada para la producción de materiales cerámicos y vítreos a fin de conformar recubrimientos como películas finas y gruesas y mejorar las propiedades de los sustratos, por medio de reacciones de hidrólisis y condensación que se llevan a cabo en procesos químicos húmedos y se obtienen transformaciones moleculares de las sustancias precursoras en redes de óxidos. Esto ha generado que el método sol-gel alcanzara un gran interés científico y tecnológico. Para entender la aportación de este trabajo a la investigación en el siguiente capítulo se recapitulan los antecedentes y fundamentos teóricos de los dispositivos de almacenamiento de energía, el estudio de las propiedades eléctricas y electroquímicas de los materiales, así como también las características de los materiales individuales, el óxido mixto y las nanoplaquetas de grafeno.