Materiales biomiméticos de base carbono para electrodos en sistemas de almacenamiento de energía

En este trabajo se demuestra la posibilidad de inducir cristalinidad en materiales carbonosos obtenidos mediante pirólisis de precursores celulósicos naturales, utilizando un metal de transición como catalizador para producir grafitización in situ durante el proceso de pirólisis. En ausencia de catalizador se obtienen carbones duros o isotrópicos por este procedimiento. Las maderas precursoras se han impregnado con disoluciones que contienen hierro o níquel previamente al proceso de pirólisis, obteniendo materiales monolíticos grafíticos que combinan las propiedades del carbón obtenido mediante pirólisis, como un gran volumen de poros, porosidad abierta e interconectada y elevadas áreas superficiales, con las propiedades del grafito, como un alto grado de cristalinidad y una elevada conductividad eléctrica. El aumento en la cristalinidad y el orden estructural de los materiales obtenidos ha sido demostrado mediante microscopía electrónica, difracción de rayos X y espectroscopía Raman, e indirectamente mediante el incremento de la conductividad eléctrica. Curvas isotermas tipo IV características de materiales mesoporosos se han obtenido para carbones tratados, así como un incremento de hasta dos órdenes de magnitud en las áreas superficiales BET obtenidas respecto a carbones sin tratar. Tras la caracterización exhaustiva de los materiales obtenidos, se ha evaluado su comportamiento como electrodos en sistemas de almacenamiento de energía, obteniendo en carbones tratados elevadas capacitancias en electrolitos acuosos, alcanzando valores en voltametría cíclica superiores a 100 F · g-1 y una excelente estabilidad cíclica de los electrodos sin reducción de la capacitancia inicial tras 1000 ciclos en voltametría. Estos valores se encuentran próximos a los que presentan los supercondensadores comerciales actualmente. El material presenta una estructura porosa monolítica en la que toda la masa es activa y no necesita aditivos para su empleo en dispositivos. Además, estos esqueletos de carbón pueden ser empleados como andamio para depositar en ellos una fase secundaria que proporcione funcionalidad adicional. Se han depositado diferentes óxidos metálicos (SnO2, Nb2O5 y Fe3O4) sobre los carbones, tratados y sin tratar, mediante deposición química en fase vapor (CVD), obteniendo materiales híbridos en los que se ha conseguido mejorar el comportamiento electroquímico de los mismos. El objetivo de la tesis es el desarrollo de un material de carbón poroso monolítico que presente alta cristalinidad, elevada área superficial y una buena conductividad eléctrica, para almacenar energía mediante un mecanismo de doble capa electrostática. Además, debido a la posibilidad de depositar una segunda fase sobre esta estructura porosa, se han obtenido materiales híbridos que pueden almacenar energía mediante dos principios de almacenamiento, electrostático y farádico, contribuyendo ambos a la capacitancia total del material

Thermal Conductivity of Partially Graphitized Biocarbon Obtained by Carbonization of Medium-Density Fiberboard in the Presence of a Ni-Based Catalyst

The thermal conductivity k and resistivity ρ of biocarbon matrices, prepared by carbonizing medium-density fiberboard at Tcarb = 850 and 1500°C in the presence of a Ni-based catalyst (samples MDFC( Ni)) and without a catalyst (samples MDF-C), have been measured for the first time in the temperature range of 5–300 K. X-ray diffraction analysis has revealed that the bulk graphite phase arises only at Tcarb = 1500°C. It has been shown that the temperature dependences of the thermal conductivity of samples MDFC- 850 and MDF-C-850(Ni) in the range of 80–300 K are to each other and follow the law of k(T) ~ T1.65, but the use of the Ni-catalyst leads to an increase in the thermal conductivity by a factor of approximately 1.5, due to the formation of a greater fraction of the nanocrystalline phase in the presence of the Ni-catalyst at Tcarb = 850°C. In biocarbon MDF-C-1500 prepared without a catalyst, the dependence is k(T) ~ T1.65, and it is controlled by the nanocrystalline phase. In MDF-C-1500(Ni), the bulk graphite phase formed increases the thermal conductivity by a factor of 1.5–2 compared to the thermal conductivity of MDF-C-1500 in the entire temperature range of 5–300 K; k(T = 300 K) reaches the values of ~10 W m–1 K–1, characteristic of biocarbon obtained without a catalyst only at high temperatures of Tcarb = 2400°C. It has been shown that MDF-C-1500(Ni) in the temperature range of 40‒300 K is characterized by the dependence, k(T) ~ T1.3, which can be described in terms of the model of partially graphitized biocarbon as a composite of an amorphous matrix with spherical inclusions of the graphite phaseRussian Foundation for Basic Research 14-03- 0049

Thermal conductivity of Fe graphitized wood derived carbon

Graphitic porous carbon materials from pyrolysis of wood precursors were obtained by means of a nanosized Fe catalyst, and their microstructure and electrical and thermal transport properties investigated. Thermal and electrical conductivity of graphitized carbon materials increase with the pyrolysis temperature, indicating a relationship between the degree of graphitization and thus in crystallite size with transport properties in the resulting carbon scaffolds. Evaluation of the experimental results indicate that thermal conductivity is mainly through phonons and increases with the temperature in Fe-catalyzed carbons suggesting that the mean free path of phonons in the material is small and defect scattering dominates over phonon-phonon interactions in the range from room temperature to 800 °C.Junta de Andalucía PE2012-TEP862Ministerio de Economía y Competitividad MAT2013-41233-