Bacterial Cellulose as a Scaffold for Electrode Materials in Electrochemical Energy Storage and Conversion

Resum

La cellulosa bacteriana ("bacterial cellulose" - BC) és un biopolímer amb diverses propietats destacades, com ara la composició pura, les fibres nanomètriques i una alta retenció d'aigua. A partir d'aquestes propietats, la BC es va utilitzar en aquesta tesi com a bastida per processar elèctrodes per a aplicacions d'emmagatzematge i conversió d'energia electroquímica ("electrochemical energy storage and conversion" - EESC). En general, les nanofibres ofereixen una gran àrea específica i una porositat oberta per a un transport òptim, però el seu caràcter aïllant impedeix el seu ús directe. Per obtenir una conductivitat adequada, es va estudiar la carbonització i el recobriment metàl·lic, respectivament. A continuació, es va investigar el seu rendiment electroquímic en aplicacions del EESC. Es poden destacar els següents aspectes principals d'aquest treball, cadascun dedicat al desenvolupament d'un material nou: 1. Els carbonis amb una porositat adequada són càtodes ideals de la bateria de Li-O2. Els carbonis mesoporosos es van obtenir a partir de la carbonització de la BC tractada amb alcohol. El summergir la BC purificda i humida en alcohol s'elimina l'aigua inicial i evita el seu col·lapse en assecar-se. En comparació amb els mètodes convencionals, com ara la liofilització o l'ús d'agents de plantilla, la ruta proposada per fabricar carbonis porosos és més convenient. En contrast amb el carboni derivat de la BC no tractada que mostra una estructura compacta, el carboni derivat de la BC tractada amb 1-butanol es presenta per ser porós, presenta una gran capacitat (5,6 mA h cm-2) i té un bon cicle de vida. 2. El diòxid de manganès (MnO2) és un càtode interessant per a la bateria d'ions Zn ("zinc ion battery" - ZIB), tot i que que pateix una conductivitat deficient, perjudicant molt el rendiment electroquímic. Es van utilitzar nanolàmines de carboni dopats amb N derivats de la BC amarat amb urea per millorar la conductivitat del MnO2. La BC posseeix una gran capacitat d'absorció d'aigua i pot absorbir urea per obtenir la font de nitrogen. El carboni/MnO2 dopat amb N com a càtode de la ZIB mostra una gran capacitat i una llarga vida útil (114 mAh g-1 a 2 A g-1 després de 1800 cicles). 3. Els elèctrodes de baix cost per a la reacció d'evolució d'hidrogen ("hidrogen evolution reaction" - HER) en electròlits neutres solen mostrar un rendiment pobre. Es va obtenir un elèctrode Ni-P/BC independent, que mostrava una alta conductivitat i una alta activitat HER alhora. Ni-P es va cultivar in situ a la BC mitjançant deposició sense electricitat ("electroless deposition" - ELD). Les fibres primes de la BC són beneficioses per formar petites partícules de Ni-P, proporcionant més llocs catalítics. El Ni-P/BC obtingut presenta un petit sobrepotencial (141 mV dec-1) i una bona estabilitat en electròlit salí tamponat amb fosfat de potassi 1,0 M (pH = 7).

Data del Ajut	23 de set. 2022
Idioma original	Anglès
Supervisor	Tonti , Dino (Director/a)