¿Cómo influye el grado de oxidación y el tamaño de poro en el almacenamiento de hidrógeno en óxido de grafito reducido?

CARLA BELÉN ROBLEDO; MARIANA ISABEL ROJAS; OSVALDO CÁMARA; EZEQUIEL PEDRO MARCOS LEIVA

Rosario

Congreso; XVIII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2013

AAIFQ

Introducción: El hidrógeno es un vector energético que se puede emplear como combustible para uso vehicular en motores de combustión o en celdas de combustible para autos eléctricos. El desafío para su implementación consiste en mejorar la capacidad de almacenamiento de este gas en tanques de volúmenes reducidos, de forma de que se lo pueda almacenar y liberar a demanda en forma segura y a temperatura ambiente. Una posibilidad de almacenamiento promisoria es ad/absorbido en materiales porosos. Para esto, la energía de adsorción de H2 debe ser de 0,1 - 0,5 eV/molécula1. Los materiales carbonosos son una buena alternativa, ya que son livianos, de gran área superficial y bajo costo comercial, pero es necesario incrementar su capacidad de almacenamiento. Los óxidos de grafito (GO) tienen grupos hidroxilos (-OH) y epoxi (-O-) intercalados entre sus láminas, favoreciendo el incremento de la distancia interplanar, lo que genera una estructura porosa (Fig.1).  Experimentalmente se ha observado que la dimensión de los poros varía desde 0,336 nm en grafito hasta 0,731-0,791 nm en GO con el incremento del grado de oxidación2. En este trabajo se investigó mediante cálculos de Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) con Quantum-Espresso, las estructuras de  GO y GO reducido (GOH) con grado de oxidación entre 12,5% - 50%. El GOH se formó hidrogenando los sitios epoxis. La celda unidad se modeló mediante 2 láminas de carbono (32 átomos de C/lámina) con grupos funcionales adheridos por encima y por debajo de las láminas de C. Se consideraron condiciones periódicas en x, y, z. Objetivos: Evaluar el efecto del grado de oxidación y del tamaño de poro en GOH en las energías de adsorción de las moléculas de hidrógeno. Resultados: Los grupos epoxi, presentes en el GO, son muy reactivos y en presencia de hidrógeno se reducen formando agua. Para evitar esto, se redujo GO a GOH. El tamaño de poro aumenta con el grado de oxidación de GOH, obteniéndose un espaciamiento máximo de 0,581 nm para el material más oxidado. Las diferencias respecto de datos experimentales han sido atribuidas a la presencia de moléculas de agua intercaladas. El grado de oxidación que resultó óptimo para almacenamiento de hidrógeno fue del 25% (C64O12H8), obteniéndose una energía de unión de la molécula de hidrógeno de 0,37 eV/molécula. Para todos los grados de oxidación simulados, el tamaño de poro óptimo resultó ser de 0,6 nm. Conclusiones: La oxidación del grafito produce la funcionalización del material, lo cual incrementa el espaciamiento entre las láminas. Para lograr un almacenamiento óptimo de H2 es necesario desarrollar técnicas experimentales que permitan controlar los grupos funcionales predominantes y además utilizar compuestos intercaladores que permitan modificar los tamaños de poro para obtener espaciamientos de 0,6 nm.   Referencias bibliográficas 1. Singh, A. K.; Yakobson, B. I., J. Mater. Sci. 2012, 47, (21), 7356. 2. Wang, H.; Hu, Y. H., Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, (10), 6132.