Proceso electroquímico para la síntesis de grafeno.

Un proceso electroquímico para la síntesis de grafeno que comprende las etapas de:

i. dispersión de nanotubos de carbono (NTC) en etanol mediante sonicación, seguido de deposición sobre un sustrato conductor mediante revestimiento por inmersión, revestimiento por centrifugación o revestimiento por cepillado;

ii. oxidación selectiva de los NTC tal como se han obtenido en la etapa (i) en solución conductora mediante la aplicación de un potencial positivo durante un periodo en el intervalo de 4 a 12 horas para obtener óxido de NTC;

iii. reducción completa del óxido de NTC tal como se ha obtenido en la etapa (ii) mediante la aplicación de un potencial negativo durante un periodo en el intervalo de 4 a 12 horas.

Proceso electroquímico para la síntesis de grafeno Campo de la invención

La presente invención proporciona una vía electroquímica para la síntesis de grafeno.

La presente invención además se refiere a una vía electroquímica en dos etapas para sintetizar grafeno a partir de nanotubos de carbono (NTC), y otras nanoestructuras huecas de carbono que dan lugar a altos rendimientos.

Antecedentes y técnica anterior de la invención

El grafeno es una monocapa plana de átomos carbono densamente empaquetada en una red bidimensional (2D) en forma de panal, y es el componente básico para materiales de grafito de todas las demás dimensionalidades con aplicación en campos muy interesantes que incluyen circuitos integrados, transistores, ultra-capacitadores, baterías de ion de Li y bio-dispositivos. El grafeno presenta muchas propiedades interesantes, como el efecto Hall cuántico a temperatura ambiente, transporte balístico a gran distancia con una movilidad electrónica aproximadamente 1 veces superior a la del silicio, disponibilidad de portadores de carga que se comportan como cuasi-partículas relativistas sin masa de tipo fermiones de Dirac, confinamiento cuántico que produce una banda de separación finita y efectos de bloqueo de Coulomb, que podrían ser útiles para fabricar muchos dispositivos electrónicos novedosos en un futuro próximo. No obstante, para materializar completamente las propiedades y aplicaciones anteriores, son cruciales métodos de crecimiento de capas de grafeno de alta calidad consistentes, fiables y baratos con unos buenos rendimientos, puesto que la existencia de defectos residuales tendrá un enorme impacto en sus propiedades electrónicas, a pesar de su "insensibilidad a la dispersión por impurezas" esperada.

Las técnicas presentadas para la síntesis de grafeno tales como escisión mecánica, sublimación de carburo de silicio, síntesis solvotérmica, deposición de vapor químico, y corrosión con plasma adolecen de limitaciones tales como a) la baja calidad y mal rendimiento (<2 %) de cintas de grafeno, b) la formación de nanocintas con exceso de oxidadas y defectuosas, c) el comportamiento que depende del sustrato y por último, d) la dificultad para controlar tanto el espesor de la capa como la lisura del borde de forma precisa.

Uno de los enfoques con mayor éxito hasta la fecha para convertir los NTCPM (nanotubos de carbono de pared múltiple) en grafeno es la reciente descompresión longitudinal de los NTCPM, facilitando la preparación a gran escala de cintas de grafeno.

Se puede hacer referencia a Journal de Kosynkin y col., en Nature, Volumen 458, abril 29, titulado "Longitudinal unzipping of carbón nanotubes to from graphene nanoribbons" en el que se describe una solución a base de un proceso oxidativo para la producción de nanocintas de grafeno mediante el corte longitudinal y la desintegración de las paredes laterales de los NTCPM.

Se puede hacer referencia a Journal de Jiao y col., en el Volumen 458, abril 29, titulado "Narrow graphene nanoribbons from carbón nanotubes" en el que se describe el proceso de fabricación de grafeno mediante descompresión de nanotubos de carbono de pared múltiple mediante corrosión con plasma de nanotubos parcialmente embebidos en una película polimérica. No obstante, estos métodos presentan varios problemas relacionados principalmente con la selección de agentes oxidantes fuertes. La selección de la vía de oxidación química presenta inconvenientes tales como el exceso de oxidación de los bordes que genera sitios defectuosos que perjudican las propiedades electrónicas del grafeno. Además, el uso de agentes reductores fuertes puede plantear dificultades a la hora de controlar el espesor de capa de cintas de grafeno. Más importante sería el problema de separación y eliminación de estos reactivos en lo que respecta al medio ambiente y al tratamiento de efluentes peligrosos.

Se puede hacer referencia a la patente de Japón 29/19684, en la que el inventor desvela un proceso de corte para NTC, que comprende: un proceso de corte mediante oxidación electroquímica de un nanotubo de carbono contenido en un electrodo de carbono mediante el suministro de tensión a un electrodo de nanotubos de carbono que está sumergido en una solución de electrólisis, y el corte del nanotubo de carbono. Además, el proceso da lugar a la escisión electroquímica oxidativa de nanotubos de carbono, oxidación que de forma óptima se realiza a una fuerza electromotriz positiva durante 1 horas. El documento también indica que si la fuerza electromotriz se encuentra por encima de 4 V, se observa una estructura de grafeno de tipo arracimada.

Se puede hacer referencia a un artículo titulado "Facile and controllable electrochemical reduction of graphene oxide and its applications" de Yuyan Shao y col., publicado en el Journal of Materials Chemistry, Vol. 2, pg. 743-748, 21 que se refiere a la reducción electroquímica de óxido de grafeno para formar grafeno. Por consiguiente, el contenido de oxígeno se reduce significativamente y la cantidad de carbono sp2 se restaura después de la reducción electroquímica.

Se puede hacer referencia a un artículo titulado "A green approach to the synthesis of graphene nanosheets" de Guoht y col., publicado en ACS Nano. 22 de septiembre de 29; 3(9):2653-9, que se refiere a la reducción de óxido de grafeno exfoliado para producir grafeno, mediante la aplicación de un potencial de reducción de -1,5 V. Así, se caracterizan las nanoláminas de grafeno obtenidas.

Se puede hacer referencia a la patente de Japón 29/19684, en la que el inventor describe la oxidación electroquímica de NTC para obtener grafeno oxidado, que también enseña que si la fuerza electromotriz se encuentra por encima de 4 V, se observa una estructura de grafeno de tipo arracimada. Pero Guoht y col., describen la reducción electroquímica de óxido de grafeno a grafeno a -1,5 V. Además, Guoht y col., y Yuyan Shao y col., parten de grafito y el resultado de sus procesos es grafeno poco estratificado con un espesor de capa incontrolado.

Así, se observa que los documentos de la técnica anterior combinan procesos tales como la oxidación y la reducción química o la oxidación química con reducción electroquímica para producir grafeno, pero con malos rendimientos y características pobres. Además, en muchos de estos casos el compuesto de partida es grafito en su forma exfoliada u original.

Sorprende señalar que no hay técnica anterior que enseñe un proceso para la síntesis de grafeno con altos rendimientos o que dé lugar a grafeno en diversas formas físicas con un espesor de capa uniforme partiendo de nanotubos de carbono de pared simple, doble pared o pared múltiple.

Por tanto, es una necesidad no resuelta en la materia el control preciso de la calidad de las capas de grafeno junto con la preparación con buenos rendimientos.

Objetivo de la invención

Los objetivos principales de la presente invención son sintetizar nanocintas de grafeno de alta calidad mediante un proceso electroquímico en dos etapas en el que la primera etapa supone la descompresión oxidativa de nanotubos de carbono para descomponer su estructura cilindrica.

Otro objetivo es transformar nanotubos de carbono cilindricos en nanocintas de grafeno controlando la función química usando reducción química o electroquímica en la segunda etapa.

Otro objetivo adicional es transformar diferentes tipos de nanotubos de carbono tales como nanotubos de pared simple, doble pared o pared múltiple en nanocintas de grafeno.

Sumario de la invención

Por consiguiente, la presente invención proporciona un proceso electroquímico para la síntesis de grafeno que comprende las etapas de:

i. dispersión de nanotubos de carbono (NTC) en etanol mediante sonicación seguido por deposición sobre un sustrato conductor mediante revestimiento por inmersión, revestimiento por centrifugación o revestimiento por cepillado;

ii. la oxidación selectiva de los NTC que se obtienen en la etapa (i) en solución conductora mediante la aplicación de un potencial positivo durante un periodo en el intervalo de 4 a 12 horas para obtener óxido de NTC;

iii. la reducción completa del óxido de NTC que se obtiene en la etapa (ii) mediante la aplicación de un potencial negativo durante un periodo en el intervalo de 4 a 12 horas para obtener grafeno con un rendimiento del 6 al 7 %.

El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los NTC usados están seleccionados del grupo constituido por nanotubos de pared simple, doble pared o pared múltiple.

En una realización de la presente invención, el sustrato conductor usado está seleccionado del grupo constituido... [Seguir leyendo]

1. Un proceso electroquímico para la síntesis de grafeno que comprende las etapas de:

i. dispersión de nanotubos de carbono (NTC) en etanol mediante sonicación, seguido de deposición sobre un sustrato conductor mediante revestimiento por inmersión, revestimiento por centrifugación o revestimiento por cepillado;

ii. oxidación selectiva de los NTC tal como se han obtenido en la etapa (i) en solución conductora mediante la aplicación de un potencial positivo durante un periodo en el intervalo de 4 a 12 horas para obtener óxido de NTC; ¡¡i. reducción completa del óxido de NTC tal como se ha obtenido en la etapa (ii) mediante la aplicación de un potencial negativo durante un periodo en el intervalo de 4 a 12 horas.

2. El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los NTC usados están seleccionados del grupo constituido por nanotubos de pared simple, doble pared o pared múltiple.

3. El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sustrato conductor usado está seleccionado del grupo constituido por C vitreo, Pt o Au.

4. El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la solución conductora usada es polar o no polar.

5. El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la solución conductora usada está seleccionada del grupo constituido por ácido sulfúrico ,5 M, KOH o acetonitrilo con perclorato de Li.

6. El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 4, en el que la solución conductora usada está seleccionada entre líquidos iónicos, electrolitos poliméricos o electrolitos poliméricos con sales inorgánicas seleccionadas entre LiAsF6, LÍPF6 o LÍBF4.

7. El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el grafeno se encuentra en forma de cintas, capas, volutas, flores y erizos con menos defectos y un espesor de capa más uniforme.

8. El proceso electroquímico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que en las etapas (ii) y (iii) los potenciales positivos y negativos se encuentran en el intervalo de ,5 a ,8 V y de -,5 a -,7 V, respectivamente.