Diseño y optimización de la estructura y propiedades de materiales grafénicos

Tesis doctoral presentada en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Oviedo, junio de 2017.[EN] In this thesis 0D, 1D and 2D graphene materials were synthesized and used to develop 2D and 3D architectures. Two methodologies were applied to obtain 2D materials, a chemical route and liquid phase exfoliation using graphitic and pregraphitic materials to obtain graphene oxide and graphene materials. Carbon nanotubes (1D carbon materials) were synthesized using an aerosol assisted chemical vapor deposition method. Graphene quantum dots (0D carbon materials) were produced by a top-down methodology from graphene oxide treated with ultrasounds. Graphene oxides were studied employing atomic force microscopy (AFM) to determinate the most significant parameters regarding the final size of the graphene oxide flakes during and after ultrasound treatments. GQDs were obtained by controlling the previously studied parameters and they were tested successfully as a chemicaluminiscence sensors together with Drop Sense company. Those graphene materials obtained from pregraphitic materials (cokes) were employed to understand the influence of the raw material’s nature by studying their electrical conductivity. Mesophase pitch (another type of pregraphitic material) was used for the first time as a raw material to obtain graphene materials. 2D architectures were formed onto Si, high oriented pyrolytic graphite (HOPG) and carbon fibers by two methodologies. Drop-casting was used to determine the effect of the thermal treatment of the graphene oxide flakes. This methodology allowed to modify graphite substrate electrodes with novel graphene materials supported rhodium N-Heterocyclic carbene complexes working as efficient water oxidation catalysts together with ICQSH -CSIC and the university of Zaragoza. While the EPD methodology allowed to control and study the parameters which were involved in the film growth mechanism. 3D architectures were obtained through layer-by-layer deposition methodology using GO and CNT suspensions. GO membranes were thermally treated and they were tested as cellular epitalial scaffolds together with Instituto Oftalmológico Fernéndez Vega. Hybrid membrane from GO and CNT were formed as sandwich-type structures and they displayed a higher elasticity than pure GO membranes.[ES] En esta tesis doctoral se utilizan tanto nanomateriales adimensionales (0D) como mono y bidimensionales (1D y 2D) para conformar arquitecturas 2D y tridimensionales (3D). Para la formación de materiales grafénicos (2D) se emplearon dos metodologías: la oxidación de grafito y materiales pregrafíticos por vía química seguida de una etapa de exfoliación/reducción térmica y la exfoliación en fase líquida utilizando varios precursores grafíticos y pregrafíticos. Para la preparación de nanotubos de carbono se utilizó un procedimiento de síntesis depósito en fase vapor asistido por aerosol (AACVD). Los puntos cuánticos (quantum dots, 0D) se obtuvieron mediante una metodología top-down a partir de óxido de grafeno (GO), material 2D obtenido mediante la exfoliación en fase acuosa de óxido de grafito. El óxido de grafeno fue caracterizado en detalle por microscopía de fuerza atómica (AFM) para establecer los parámetros que determinan el tamaño final de lámina. Los puntos cuánticos fueron empleados en ensayos de fotoquimioluminiscencia en colaboración con la empresa Drop Sense (Oviedo, España), obteniéndose excelentes resultados. Los materiales grafénicos obtenidos a partir de materiales pregrafíticos como coques se emplearon para estudiar la influencia del material de partida en la conductividad eléctrica. Además, se prepararon por primera vez la nuevos materiales 2D a partir de carbones activados obtenidos mediante la activación química de breas de mesofase, siguiendo un método de exfoliación en fase líquida. Se formaron arquitecturas 2D (denominadas films en la memoria), soportadas sobre diferentes sustratos: fibras de grafito, Si y HOPG siguiendo dos metodologías: drop-casting y depósito electroforético (EPD). La metodología de drop-casting se utilizó para estudiar la reducción de materiales grafénicos sobre dos sustratos diferentes comprobándose el efecto de dicha reducción sobre la morfología final de las láminas que forman el film. Además, sobre los materiales grafénicos obtenidos por reducción térmica se llevó a cabo una funcionalización con un complejo organometálico de Rh soportado, para ser usado posteriormente como material activo de electrodo en la oxidación electrocatalítica del agua en colaboración con ICQSH -CSIC y la universidad de Zaragoza. Mientras que a través de la metodología EPD, se investigaron los parámetros que controlan la morfología y espesor de los films y se conoció su mecanismo de formación Para la formación de arquitecturas 3D se siguió un proceso de filtración a vacío de diferentes suspensiones de GO, tanto acuosas como alcohólicas. Algunas de ellas fueron reducidas térmicamente y se comprobó su viabilidad como sustratos de crecimiento de células de epitelio de retina y de córnea pigmentaria en colaboración con el Instituto Oftalmológico Fernández Vega (Oviedo, España) Finalmente, con suspensiones de CNT en medio alcohólico, se diseñaron estructuras híbridas de CNT/GO que mostraron una mayor elasticidad que las membranas puras.Peer reviewe