Formación de óxidos metálicos semiconductores en carbón activado. Caracterización y aplicaciones

Abstract

Partiendo de un carbón activado comercial (AC; Merck®, 1.5 mm) y de seis precursores de óxidos metálicos (Al3+, Fe3+, Zn2+, SnCl2, TiO2 y WO4 2-), se han preparado tres series de materiales híbridos mediante impregnación húmeda a 80 ºC y secado en estufa a 120 ºC (S1) y posterior calcinación a 200 y 850 ºC (S2 y S3). Las muestras han sido caracterizadas en términos de su comportamiento térmico, composición, microestructura, textura, morfología, química superficial y propiedades eléctricas mediante un amplio abanico de técnicas. También han sido evaluadas como adsorbentes de iones nitrato y fosfato en disolución acuosa y como materiales de electrodo en supercondensadores. Los resultados obtenidos revelan la presencia en AC de estructuras tipo pirona y cromeno, que son oxidadas a grupos fenólicos y ácido carboxílico. El tratamiento térmico de S1 causa liberación de H2O, CO2 y CO debido a procesos de deshidratación, deshidroxilación, descarboxilación y reducción carbotérmica de los óxidos metálicos. Con el aumento de la temperatura en la preparación de S2 y S3, los cambios químicos son más notables para S3 Además, se produce la transformación de los hidróxidos metálicos en óxidos, una mejora en la cristalinidad, un ensanchamiento de la distribución de tamaño de partícula y un incremento en el tamaño promedio de partícula. Los cambios texturales son más significativos para S1 y S2, afectando a las tres regiones de porosidad. La conductividad eléctrica viene determinada esencialmente por las fases soportadas y su valor es el resultado de una interacción entre múltiples factores. El comportamiento como adsorbentes y como materiales de electrodo es prometedor.

From a commercial activated carbon (AC; Merck®, 1.5 mm) and six metal oxide precursors (Al3+, Fe3+, Zn2+, SnCl2, TiO2 and WO4 2-), three series of hybrid materials have been prepared by wet impregnation at 80 ºC and oven-drying at 120 ºC (S1) and subsequent calcination at 200 and 850 ºC (S1 and S2). The resulting samples have been characterized in terms of their thermal behaviour, composition, microstructure, texture, morphology, surface chemistry and electrical properties by means of a variety of techniques. In addition, their behaviour as adsorbents for phosphate and nitrate ions in aqueous solution and as electrode materials in supercapacitors has also been investigated. Obtained results reveal the presence in AC of reducing and basic structures, such as pyrone and chromene, which are oxidized to phenolic and carboxylic acid groups. The thermal treatment of S1 causes the release of H2O, CO2 and CO due to dehydration, deshydroxilation and descarboxilation processes and to the carbothermal reduction of the metal oxides. With the temperature rise in the preparation of S1 and S2, chemical changes are more relevant for S3. Moreover, metal hydroxides are converted into oxides, crystallinity improves, particle size distribution broadens and average particle size increases. Textural changes are more significant for S1 and S2, affecting the three porosity regions. Electrical conductivity is essentially determined by the supported phases and its value is the result of a complex interplay between several factors. The behaviour of the prepared samples as adsorbents and as electrode materials is promising.