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

Resumen

La celulosa bacteriana ("bacterial cellulose" - BC) es un biopolímero con varias propiedades sobresalientes, como composición pura, fibras nanométricas y alta retención de agua. Sobre la base de estas propiedades, BC se empleó en esta tesis como andamio para procesar electrodos para aplicaciones de almacenamiento y conversión de energía electroquímica ("electrochemical energy storage and conversion" - EESC). En general, las nanofibras permiten un área específica elevada y una porosidad abierta para un transporte óptimo, pero su carácter aislante impide su uso directo. Para obtener la conductividad adecuada, se estudiaron la carbonización y el recubrimiento metálico, respectivamente. A continuación, se investigó su rendimiento electroquímico en aplicaciones EESC. Se pueden destacar los siguientes aspectos principales de este trabajo, cada uno dedicado al desarrollo de un material nuevo: 1. Los carbones con la porosidad adecuada son cátodos ideales de la batería de Li-O2. Los carbones mesoporosos se obtuvieron de la carbonización de la BC tratada con alcohol. Al sumergir la BC húmeda y purificada en alcohol se elimina el agua inicial y evita su colapso al secarse. En comparación con los métodos convencionales, como la liofilización o el uso de agentes de plantilla, la ruta propuesta para fabricar carbones porosos es más conveniente. En contraste con el carbón derivado de la BC sin tratar, que muestra una estructura compacta, el carbón derivado de la BC tratada con 1-butanol se presenta poroso, exhibe alta capacidad (5.6 mA h cm-2) y tiene un buen ciclo de vida. 2. El dióxido de manganeso (MnO2) es un cátodo interesante para la batería de iones Zn ("zinc ion battery" - ZIB), aunque que sufre de baja conductividad, lo que afecta en gran medida el rendimiento electroquímico. Se utilizaron nanoláminas de carbono dopadas con N derivadas de BC embebida en urea para mejorar la conductividad del MnO2. La BC posee una alta capacidad de absorción de agua y puede absorber urea como fuente de nitrógeno. El composite MnO2/carbono dopado con N como cátodo en una ZIB muestra una alta capacidad y un ciclo de vida prolongado (114 mAh g-1 a 2 A g-1 después de 1800 ciclos). 3. Los electrodos de bajo costo para la reacción de evolución de hidrógeno ("hidrogen evolution reaction" - HER) en electrolitos neutros generalmente muestran un rendimiento deficiente. Se obtuvo un electrodo de Ni-P/BC sin otros soportes o componentes, que mostró alta conductividad y alta actividad HER al mismo tiempo. El Ni-P se hizo crecer in situ en la BC mediante deposición sin electricidad ("electroless deposition" - ELD). Las fibras delgadas de BC son beneficiosas para formar pequeñas partículas de Ni-P, proporcionando más sitios catalíticos. El Ni-P/BC obtenido presenta un bajo sobrepotencial (141 mV dec-1) y buena estabilidad en electrolito salino con tampón de fosfato de potasio 1 M (pH=7).

Fecha de lectura	23 sept 2022
Idioma original	Inglés
Supervisor	Tonti , Dino (Director/a)