Nanomaterials and devices for energy storage and conversion

Abstract

El trabajo descrito en esta tesis está motivado por la intención de desarrollar diferentes nanomateriales para su aplicación en el sector energético, tanto para el almacenamiento como para la conversión de energía. Para ello, se han desarrollado diferentes nanomateriales para cumplir los objetivos de los diferentes capítulos. Por una parte, se presentan dos nuevos materiales con propiedades supercapacitivas. El primero es un nanocomposite formado por nanopartículas metálicas embebidas en una matriz grafítica, obtenido mediante un tratamiento térmico, usando como precursor un hidróxido doble laminar (LDH en inglés) de NiFe. A dicho nanocomposite se le hace un estudio in-situ de su formación y posteriormente un estudio electroquímico y magnético. Con dicho estudio electroquímico magnético se presenta un mecanismo de segregación metálica de las nanopartículas, que produce el aumento en más de un orden de magnitud de su capacidad específica. El segundo material presentado es un grafeno dopado con nitrógeno con altas capacidades supercapacitivas, al cual se le realiza un estudio de caracterización morfológica y electroquímico, tanto en una celda de 3 electrodos como en una celda de 2 electrodos, para su estudio como batería comercial. Por otro lado, se presentan un nuevo material con propiedades electrocatalizadoras para la obtención de oxígeno en medios acuosos básicos (OER en inglés). El material es un nanocomposite de matriz grafítica con pequeñas nanopartículas de hierro, el cual también se obtiene mediante un tratamiento térmico, pero en este caso usando como precursor el MUV-3, un análogo de hierro del famoso ZIF-8. Se le realiza una caracterización morfológica completa y un estudio electroquímico completo, donde observamos un comportamiento como electrocatalizador OER excelente, superior al de los catalizadores basados en metales nobles comerciales. Finalmente se describe un proceso de escalado para el primer material, pasando a producción industrial de kilogramos. Así mismo, se expone también el estudio y ensamblamiento de diferentes dispositivos para su estudio como capacitores reales comerciales.