Grafenos y otros materiales bidimensionales en dispersión coloidalpreparación, caracterización y formación de híbridos

Abstract

El objetivo central de esta tesis es el desarrollo de métodos de preparación de diferentes materiales bidimensionales (2D), principalmente grafeno, disulfuro de molibdeno (MoS2) y nitruro de carbono grafítico (g-C3N4), basados en la exfoliación en medio líquido de los correspondientes materiales laminares, así como la exploración de sus posibles aplicaciones. Se ha estudiado la preparación de óxido de grafeno reducido (RGO) mediante reducción catalítica de óxido de grafeno a temperatura ambiente asistida por nanopartículas de plata (Ag NPs), cuyo mecanismo se ha investigado. Dicha estrategia permitió obtener directamente híbridos RGO-Ag NPs. Estos híbridos presentaron buena actividad catalítica en la reducción de 4-nitrofenol y electrocatalítica en la reducción de peróxido de hidrógeno. Asimismo, se ha estudiado la dispersabilidad de RGO y g-C3N4 en una amplia variedad de disolventes orgánicos. El comportamiento en dispersión de estos materiales 2D química y estructuralmente heterogéneos fue analizado y racionalizado en términos de la tensión superficial y los parámetros de solubilidad de Hildebrand y Hansen de los disolventes, observándose que difería notablemente del documentado para materiales 2D homogéneos. Se concluyó que es necesario tener en cuenta detalles químicos y estructurales tanto del RGO como del g-C3N4 para comprender qué tipo de disolventes son efectivos para cada material. Como alternativa a la ruta del óxido de grafito, se investigó la obtención de grafeno prístino en agua usando un derivado de la vitamina B2, concretamente el mononucleótido de flavina (FMN), como agente estabilizante. Fue posible obtener concentraciones muy elevadas de grafeno de alta calidad estructural en dispersión usando cantidades limitadas de FMN, lo cual es potencialmente ventajoso con vistas a diferentes aplicaciones. La presencia de FMN adsorbido en las láminas permitió asimismo la obtención de híbridos con NPs metálicas (Ag, Pd, Pt) bien dispersas sobre las láminas de grafeno. Dichos híbridos presentaron una buena actividad catalítica en la reducción de nitroarenos y electrocatalítica en la reacción de oxidación de metanol y reducción de oxígeno. Respecto al MoS2, se han preparado láminas 2D de este material en medio acuoso mediante dos métodos diferentes: exfoliación por intercalación de litio y exfoliación directa por ultrasonidos usando nucleótidos del ADN y ARN como dispersantes. En el primer caso, se demostró que las láminas monocapa obtenidas poseían una alta actividad catalítica en reacciones de reducción (nitroarenos, colorantes), atribuida a la presencia de dominios de fase metálica 1T generados durante el proceso de intercalación. En el segundo caso, se demostró que los nucleótidos de ADN/ARN son dispersantes inusualmente eficientes del MoS2, lo cual se pudo atribuir a la presencia de interacciones nucléotido-MoS2 específicas y relativamente fuertes de tipo ácido-base Lewis, que no están presentes en otros materiales 2D como el grafeno. Las láminas de MoS2 estabilizadas por nucléotidos presentaron buena actividad catalítica en la reducción de nitroarenos, a pesar de la ausencia de dominios 1T, electrocatalítica para la reacción de evolución de hidrógeno, así como una buena biocompatibilidad.