TESIS Jose Antonio Benedico

284 Pages·2016·26.42 MB·English

Instituto de Carboquímica

FIBRAS MULTIFUNCIONALES DE NANOTUBOS DE
CARBONO: CARACTERIZACIÓN QUÍMICO-FÍSICA Y
APLICACIONES.

JOSÉ ANTONIO BENEDICO LOZANO
TESIS DOCTORAL
Febrero 2016
Instituto de Carboquímica ICB-CSIC. C/ Miguel Luesma Castán, 4. 50018 Zaragoza (España)
Tel. [phone]/ Fax. [phone] / [email protected]

Instituto de Carboquímica

D. Edgar M. Muñoz de Miguel, Científico Titular del Instituto de Carboquímica
ICB-CSIC, y Dña. Rosa Garriga Mateo, Profesora Titular de Universidad de la
Universidad de Zaragoza, del Departamento de Química Física,

CERTIFICAN

que la presente Memoria titulada:

Fibras multifuncionales de nanotubos de carbono: caracterización químico-
física y aplicaciones

se corresponde con el Proyecto de Tesis aprobado por el Departamento de
Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente de la Universidad de
Zaragoza, y que ha sido realizada por D. José Antonio Benedico Lozano en el
Instituto de Carboquímica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas
bajo nuestra dirección para optar al Grado de Doctor en Ingeniería Industrial.

Y asimismo,

AUTORIZAN

la presentación de la citada Memoria de Tesis Doctoral para su defensa y
calificación ante el Tribunal correspondiente.
Zaragoza, a 13 de noviembre de 2015,

Fdo. Edgar M. Muñoz de Miguel Fdo. Rosa Garriga Mateo
Instituto de Carboquímica ICB-CSIC. C/ Miguel Luesma Castán, 4. 50018 Zaragoza (España)
Tel. [phone]/ Fax. [phone] / [email protected]

AGRADECIMIENTOS

A mis Directores de Tesis, Edgar Muñoz y Rosa Garriga, el mayor de todos los 
agradecimientos. No hubiera sido posible sin su interés y flexibilidad, sin su guía 
y su conocimiento. El camino es mejor que la meta en su compañía. 

A Vicente L. Cebolla y al Grupo de Separación y Detección del Instituto de 
Carboquímica ICB‐CSIC, por su entusiasmo y apoyo, y por proporcionarme 
todos los medios necesarios y un ambiente extraordinario de trabajo. 

A  Rebeca  Marcilla  y  su  grupo  del  Instituto  IMDEA  Energía:  su  trabajo  de 
caracterización electroquímica de mis fibras ha sido fundamental en esta Tesis 
Doctoral. 

A Izabela Jurewicz, Niki Bardi y Alan B. Dalton del Surrey Materials Institute, 
Faculty of Engineering & Physical Sciences de la University of Surrey, por su 
interés en mi trabajo y por su ayuda en los estudios de caracterización químico‐
física. 

A Joselito Razal y Shayan Seyedin del Institute for Frontier Materials de la Deakin 
University, por su asesoramiento en el hilado y procesado de fibras de óxido de 
grafeno. 

Al Servicio de Análisis del Instituto de Carboquímica ICB‐CSIC, en especial a 
Iñaki Tacchini y Elvira Aylón, por su disponibilidad e implicación en el trabajo.  

A Ali Aliev, Alexios Papadimitratos, Anvar Zakhidov, Carter Haines, Na Li, 
Steve Collins y Ray H. Baughman del Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute
de la University of Texas at Dallas, por su generosidad, y por su ayuda y feedback 
en la realización de medidas de propiedades físicas. 

Los estudios de microscopías  TEM, cryo‐TEM, SEM y ESEM fueron llevados a 
cabo  en  el  ʺLaboratorio  de  Microscopías  Avanzadasʺ  del  ʺInstituto  de 
Nanociencia  de  Aragón  ‐  Universidad  de  Zaragozaʺ  (LMA‐INA).  Mi 
agradecimiento  al  LMA‐INA  por  permitir  el  acceso  a  sus  equipos,  muy 
especialmente a Rodrigo Fernández‐Pacheco, Alfonso Ibarra, Carlos Cuestas 
Ayllón y Laura Custardoy por su excelente trabajo y disponibilidad.  

Las medidas de ángulo de contacto fueron realizadas en el Nanoquim Platform 
Laboratory del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona ICMAB‐CSIC. Mi 
agradecimiento  a  Neus  Romà  por  su  dedicación  y  ayuda  en  el  trabajo  de 
laboratorio. 

Y  el  agradecimiento  final  para  mi  madre,  por  mostrarme,  más  allá  de  las 
nanopartículas, la grandeza de las cosas pequeñas en cada circunstancia de la 
vida, y para mi padre, por transmitirme que la justa medida del “primum vivere 
deinde philosophari” supone asegurar lo primero para, no en lugar de, hacer lo 
segundo. A Carl Sagan, por abrir mis ojos en la infancia respecto a que esto es lo 
que hace Hombre al hombre, a Rudyard Kipling por enseñarme que se pierde 
toda batalla que no se enfrenta, y a las hermanas Duque, por su paciencia y 
compañía en este viaje.

Resumen 
Esta Tesis Doctoral investiga el empleo del líquido iónico polimérico 
bromuro de poli(1‐vinil‐3‐etilimidazolio) (poli(ViEtImBr) y del polielectrolito 
cloruro  de  poli(dialildimetilamonio)  (poliDADMAC)  como  coagulantes  en 
procesos  de  hilado  de  fibras  de  nanotubos  de  carbono  monocapa.  Estos 
coagulantes  proporcionan  fibras  de  conductividad  eléctrica  elevadas,  de 
estabilidad mecánica hasta 100ºC, y con notables prestaciones electroquímicas, 
que han dado lugar a la exitosa fabricación de un supercondensador, que puede 
ser incorporado en textiles. Se ha propuesto además un mecanismo de hilado de 
estas fibras basado en la formación de complejos de polielectrolitos en reacciones 
de intercambio iónico en los que el surfactante empleado desempeña un papel 
protagonista. 
Por otro lado, se han empleado la fascinante capacidad de ensamblado en 
estructuras  bidimensionales  de  los  tectómeros  de  oligoglicina  y  la  eficiente 
interacción de éstos con nanotubos de carbono carboxilados y óxido de grafeno 
para la funcionalización de fibras de óxido de grafeno con nanotubos de carbono, 
de modo que los tectómeros de oligoglicina actuarían de adhesivo protector. 
Estudios por XPS confirman que, pese a que tanto los nanotubos de carbono 
carboxilados como el óxido de grafeno poseen un contenido elevado de grupos 
funcionales oxigenados, la interacción de cada uno de ellos con la oligoglicina es 
diferente, siendo ésta debida a fuerzas electrostáticas en el caso de los nanotubos 
de carbono carboxilados, mientras que en el caso del óxido de grafeno, por 
formación de puentes de hidrógeno con los grupos oxigenados existentes en el 
plano basal del óxido de grafeno. Se demuestra además que estas interacciones 
se pueden modular y revertir controlando el pH, lo cual es de interés para 
posibles  aplicaciones  en  los  campos  de  la  funcionalización  de  superficies, 
sensores, o en el transporte y liberación controlada de fármacos, entre otros.