Heterojunctions of defective graphenes with 2D materials and metal nanoplatelets: preparation and catalytic applications

Abstract

En esta Tesis Doctoral, las heterouniones de grafeno con otros materiales 2D y nanoparticulas metalicas, incluyendo (N)grafeno/h-BN, grafeno/MoS2 y grafeno depositado Fe/Co, se sintetizaron en base al uso de polisacaridos naturales como precursors de grafeno. Estos materials se caracterizaron usando diversos metodos analiticos y se ensayaron para determinar el acoplamiento C-N oxidativo de las amidas, la hidrogenacion de CO2 o la aplicacion catalitica fotoelectrica y fisica. En la primera etapa de la tesis, se estudio la influencia de la temperatura y la presencia de H2 durante la pirolisis en la calidad del grafeno. Se observo que una disminucion significativa en la densidad de defectos relacionados con la presencia de oxigeno residual se puede lograr cuando el producto se preparo a la temperatura optima (1100 oC) bajo un bajo porcentaje de H2 (5%). Esta mejora en la calidad del grafeno defectuoso resultante se reflejo en una disminucion de la resistencia electrica y una mayor actividad fotoelectrica. En el caso de las heteroestructuras de grafeno dopadas con N/h-BN, se ha revelado que se produjeron capas de segregacion espontanea (N)grafeno y nitruro de boro durante la pirolisis. Aunque las heteroestructuras resultantes no mostraron una mejora en la conductividad, el material podria comportarse como un condensador que almacena carga en el rango de voltajes positivos. El grafeno/MoS2 se preparo por pirolisis de acido alginico que contenia (NH4)2MoS4 adsorbido. Las nanoparticulas de MoS2 exhibieron una orientacion preferencial en la cara 002, como resultado del efecto de plantilla de las capas de grafeno. Este material exhibio actividad para la reaccion de evolucion H2, aunque se ha observado alguna variacion de la actividad electrocatalitica de un lote a otro. Tambien se prepararon Fe, Co NP o aleaciones Fe-Co incrustadas en matriz carbonosa por pirolisis de polvos de quitosano que contenian iones Fe2+ y Co2+ a 900 oC en atmosfera de Ar y se usaron para el acoplamiento oxidativo de C-N de amidas y compuestos aromaticos de N-H. Se observo que la adicion secuencial de dos alicuotas de hidroperoxido de terc-butilo (TBHP) en un exceso de N,N-dimetilacetamida (DMA) como disolvente proporcionaba el correspondiente producto de acoplamiento en altos rendimientos, y el catalizador mas eficiente era FeNP@C con alta reutilizacion y un amplio alcance. Finalmente, las perlas de matriz de carbono grafitico que contienen Fe, Co NPs o aleaciones de Fe-Co se sintetizaron secuencialmente mediante pirolisis en una etapa a 900 oC de perlas de quitosano que tenian acetatos de hierro y cobalto adsorbidos. La mejor muestra, Fe-Co aleacion/G (Fe/Co alrededor de 0.4), mostro alta actividad para la hidrogenacion de CO2 a isobutano con una selectividad superior al 92% y una conversion de CO2 de aproximadamente el 87%.; In this Doctoral Thesis, the heterojunctions of graphenes with other 2D materials and metal nanoparticles, including (N)graphene/h-BN, graphene/MoS2 and Fe/Co deposited graphene, were synthesized based on using natural…