Pablo Palomino Arenas

306 Pages·2015·8.22 MB·Spanish

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA FÍSICA I

TESIS DOCTORAL

CARBONES Y XEROGELES DE RESOCINOL-FORMALDEHÍDO:

POROSIDAD Y APLICACIONES

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR
PRESENTADA POR
Pablo Palomino Arenas

Director

Eduardo Enciso Rodríguez

Madrid, 2015

© Pablo Palomino Arenas, 2015
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Departamento de Química Física I

CARBONES Y XEROGELES DE RESORCINOL-
FORMALDEHÍDO: POROSIDAD Y APLICACIONES

PABLO PALOMINO ARENAS

TESIS DOCTORAL

DIRECTOR: EDUARDO ENCISO RODRÍGUEZ

MADRID, 2015
Universidad Complutense de Madrid (UCM)
Facultad de Ciencias Químicas
Departamento de Química Física I
28040 Madrid
Eduardo Enciso Rodríguez, Catedrático de la Universidad Complutense de
Madrid

Certifica:
Que Pablo Palomino Arenas, Licenciado en Ciencias Químicas (2009), ha realizado
bajo su dirección el trabajo de investigación que lleva por título “Carbones y Xerogeles
de Resorcinol-Formaldehido: Porosidad y Aplicaciones”, el cual se presenta en esta
memoria para optar al grado de Doctor por la Universidad Complutense de Madrid.
Y para conste donde sea oportuno, firma el presente certificado:

Eduardo Enciso Rodríguez

Madrid, 1 de Junio de 2015

A mi familia

AGR ADEC IM IE NTOS | VII

AGRADECIMIENTOS

Esta Tesis Doctoral ha sido realizada en el Departamento de Química Física I de
la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid bajo la
dirección del Dr. Eduardo Enciso Rodríguez. Me gustaría expresarle mi más profundo
agradecimiento por confiar en mí y aceptar la tutela de mi trabajo, orientando mi
investigación. Le agradezco en especial todo su apoyo, tiempo y dedicación en todo
momento durante estos cuatro años, logrando enseñarme sus conocimientos con una
pasión que solo alguien que está comprometido con su profesión es capaz de transmitir.
A mi familia, en especial a mis padres, que para mí han sido los más
importantes. Muchas gracias por haberme proporcionado las condiciones necesarias
para cursar mis estudios y comenzar mi carrera profesional.
A mi pareja Rose por estar siempre a mi lado, por su paciencia y comprensión,
especialmente durante la escritura de este trabajo. Por apoyarme en todo momento en
los momentos más difíciles sacrificando parte de su tiempo, acompañándome en los
últimos días de escritura.
También a la Dra. María José Torralvo Fernández por aceptar ser parte de mi
tribunal así como por ayudarme con el manejo del equipo de adsorción de nitrógeno y
facilitarme su uso, ya que esta caracterización ha jugado un papel fundamental en el
desarrollo de este trabajo.
Al Dr. José María Rojo Martin por permitirme trabajar en su laboratorio
iniciándome en el mundo de los supercondensadores y estando siempre disponible
cuando lo necesitaba.
Al grupo de electroquímica del ICMAB y en especial Dr. Dino Tonti y a la Dra.
Mara Olivares por enseñarme sus conocimientos sobre baterías.
Al grupo de electroquímica y estado sólido de la Universidad de Southampton,
en especial al Dr. John Owen por acogerme y orientarme en mi investigación siendo de
gran ayuda durante mi estancia. También me gustaría agradecer a la Dr. Nuria García
Araez, así como a Jake y a Nora el apoyo tanto profesional como personal durante los
meses que pasé en Inglaterra.
Al Dr. Pedro Gómez Romero y la Dra. Vanesa Ruiz del Instituto Catalán de
Nanociencia y Tecnología (ICN2) por su importante ayuda en el estudio de los
polioxometalatos. A la Dra. Jullieth Gabriela Guevara por su ayuda a través de su
experiencia en supercondensadores y sus consejos sobre todo en los últimos meses de
trabajo.
A la Dra. Raquel Sainz Vaque porque la investigación que inició en nuestro
grupo EQCAN (UCM) a principios del 2010 se convirtió en el punto de partida de esta
Tesis Doctoral.
Asimismo, agradezco a la Dra. Albertina Cabañas Poveda permitirme el uso de
su laboratorio, su interés por nuestro trabajo, y por ofrecernos la posibilidad de
funcionalizar nuestros materiales con nanopartículas metálicas.
En relación al estudio de captura de CO me gustaría agradecer la ayuda de la
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Dra. Yolanda Sánchez-Vicente por introducirme en el problema y al Dr. Lee Stevens
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(Nottingham University) por ofrecerme la posibilidad de realizar isotermas de adsorción
de CO a altas presiones con nuestros materiales.
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También agradecer a la Dra. Fabienne Barroso Bujans su incondicional ayuda en
el estudio de la fenomenología de polímeros confinados, especialmente durante mi
estancia en el ISIS (Rutherford Appleton Laboratory, Oxford).
Tampoco puedo dejar de lado al personal de apoyo a la investigación del taller
mecánico y del taller de vidrio por estar siempre dispuestos a dar soluciones a los
problemas técnicos que surgieron durante el transcurso de mi investigación. En especial
me gustaría agradecer a Emilio Elvira Muñoz la cantidad de ideas y soluciones que me
ha proporcionado demostrándome su gran profesionalidad.
Al personal técnico de los Centros de Apoyo a la Investigación de Microscopía
Electrónica, Análisis Elemental y Rayos X de esta Universidad por la ayuda prestada
para la caracterización. En especial me gustaría agradecer al personal de microscopia su
colaboración en las medidas de Microscopía Electrónica (TEM y SEM), compartiendo
su experiencia en el campo de la Microscopía, proporcionándome a la vez
documentación para poder seguir ampliando mis conocimientos.
A todos los demás integrantes de nuestro grupo de Electroquimica y Química
Coloidal Aplicada a Nanomateriales (EQCAN), el Dr. Fernando Acción Salas, la Dra.
María Isabel Redondo Yélamos, el Dr. Miguel Ángel Raso García y a la Dra. Isabel
Carrillo Ramiro por su apoyo prestado estos años.
Al Dr. Carlos Otero Díaz y el Dr. David Ávila Brande del grupo de Estado
Sólido de la Universidad Complutense de Madrid por el seguimiento de nuestros
resultados y por compartir nuestro interés por los materiales de carbón. Sus recientes
resultados nos han ayudado a la realización de este proyecto.
También quiero expresar mi gratitud a los estudiantes del departamento de
Química Física I que se han convertido en una pequeña familia. A pesar de no haber
estado presente en todos los momentos que me hubiera gustado estar, os doy las gracias
a todos por los momentos que hemos pasado juntos.
Me gustaría destacar que el desarrollo de esta Tesis Doctoral no habría sido
posible sin la financiación recibida del programa de Becas y Contratos Predoctorales
(BE A45/10) de la Universidad Complutense de Madrid. Así como por la concesión de
los proyectos MAT2007-65711-C04-02 y MAT2012-39199-C02-02 del Ministerio de
Economía y Competitividad.
Para finalizar me gustaría expresar mi agradecimiento a todas las personas que
de una forma u otra han participado en esta Tesis Doctoral, sin las cuales ésta no podría
haberse llevado a cabo.
R ES UMEN | IX

Carbones y Xerogeles de Resorcinol-Formaldehído:
Porosidad y Aplicaciones

1. Introducción

Los materiales porosos de carbón se han vuelto indispensables en la vida diaria,
sin embargo comparado con otras clases de materiales porosos, tales como zeolitas,
sílice porosa o armazones organometálicos (MOFs), son más competitivos. La razón de
ello es que los materiales de carbón son ligeros a la vez que poseen propiedades
químicas, mecánicas y eléctricas excepcionales (Antonietti et al., 2014).
El desafío actual en la obtención de nanomateriales de carbón requiere de
metodologías sintéticas novedosas que posibiliten el diseño de materiales con
estructuras controladas a nivel nanométrico, permitiendo la obtención de materiales
porosos donde el transporte a través de toda la estructura sea óptimo en función de la
aplicación deseada.
Desde su descubrimiento hace más de 25 años (Pekala, 1989), las resinas y los
carbones porosos procedentes de derivados fenólicos han recibido especial interés en la
ciencia de materiales. En los últimos años se han desarrollado métodos de preparación,
caracterización y procesado de este tipo de materiales que, debido a la elevada área
superficial específica que poseen, han permitido su empleo en diversas aplicaciones. La
razón de su popularidad, como mostramos en este trabajo, es su potencial utilidad como
soporte para alojar, moléculas, iones o polímeros, es decir, como consecuencia de los
procesos que pueden tener lugar en la superficie donde está implicada la interfase
sólido-fase fluida.
En el pasado más reciente, importantes esfuerzos se han centrado en la
preparación de sólidos porosos con la máxima área específica, llegándose a alcanzar
valores de varios miles de metros cuadrados por gramo. No obstante, el uso de estos
materiales en diferentes aplicaciones ha dejado patente la importancia de la porosidad
(distribución de tamaño de poros, conectividad, etc.) en el acceso a la superficie de los
soportes. En la actualidad, el punto de mira de la investigación en este campo está en el
desarrollo de metodologías preparativas que permitan diseñar estructuras porosas
modulables, que integren altas superficies y un rápido acceso a las mismas (Antonietti
et al., 2014).
El creciente interés de estos materiales en la tecnología es debido al amplio
rango de aplicaciones que poseen, como por ejemplo:
1 - El uso como soportes para la manipulación de moléculas y la catálisis en fase gas o
líquida (Antolini, 2009).
2 - El almacenamiento de gases y líquidos que contienen contaminantes para su
posterior separación y eliminación (McNicholas et al., 2010).
3 - Su uso en dispositivos electroquímicos como baterías, supercondensadores o
electrocatalizadores (Candelaria et al., 2012).
La mayor parte de este tipo de aplicaciones se ha llevado a cabo utilizando
carbones porosos de diversa procedencia. Entre los diferentes tipos de carbones