CARACTERIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE MATERIALES MESOPOROSOS CON ESTRUCTURAS JERÁRQUICAS MEDIANTE TOMOGRAFÍA DE ELECTRONES

R.K. LEARY; M.S. MORENO; Z. SAGHI; A.M.BAENA MONCADA; G.A. PLANES; C.A. BARBERO; P.A. MIDGLEY

San Carlos de Bariloche

Congreso; 4to. Congreso Argentino de Microscopía; 2016

Los materiales carbonosos son importantes en dispositivos de almacenamiento de energía tales como baterías y supercapacitores debido a su estabilidad química y conductividad electrónica. En este contexto, los materiales de carbón mesoporosos con estructuras jerárquicas (HPC) que posean poros interconectados son de interés por su alta superficie específica, numerosos sitios activos para reacciones superficiales, etc. En esta comunicación presentamos un estudio preliminar de la estructura de un carbón HPC mediante tomografía de electrones. El material se obtuvo usando un molde rígido, con esferas de SiO2 de 400 nm de diámetro como unidad de moldura. Las nanopartículas de SiO2 fueron obtenidas mediante hidrólisis de TEOS en medio básico. El molde se obtuvo mediante sedimentación vertical de estas nanopartículas en el fondo de un vial. Después de la evaporación del solvente el ópalo resultante se trató térmicamente a 1000 ºC durante 4 horas para formar la matriz interconectada de nanoesferas de SiO2. El molde se impregnó con una mezcla resorcinol/formaldehido empleando carbonato de calcio como catalizador. Con el propósito de estudiar el efecto del molde sobre la estructura resultante, se prepararon dos muestras diferentes, una de ellas (A) removiendo (con una disolución de HF concentrado) el SiO2 antes de la pirólisis, en la segunda muestra el SiO2 fue removido una vez finalizada la misma (B) [ref 1]. La pirólisis se efectuó a 850 ºC durante 24 h. Las nanopartículas de Pt fueron incorporadas en una muestra de HPC del tipo (B), por exposición a una disolución de H2PtCl6 (conteniendo una relación de Pt a HPC equivalente al 2 % en masa) y su posterior reducción química con NaBH4 (0.1 M). El material fue luego lavado y filtrado para eliminar tanto los subproductos de reacción como posibles partículas no retenidas sobre la superficie del HPC. En este trabajo estudiamos la estructura tridimensional de la muestra del tipo (B), que es la que presentó una porosidad importante. El material fué caracterizado mediante HREM utilizando un microscopio Tecnai F20 G2 ultratwin. En un microscopio Osiris 80-200 adquirimos series de imágenes en el modo HAADF-STEM en el intervalo -64º a +54º, a intervalos de 2º. Para la alineación y reconstrucción del volumen se usó el programa Inspect3D y el algoritmo de reconstrucción iterativa simultánea (SIRT). La caracterización mediante HREM (ver Fig.1) revela la presencia de estructuras a distintas escalas de longitud correspondientes a un diámetro promedio de 400nm, debida a las nanoesferas de SiO2, y la aparición de un segundo nivel de porosidad localizado en las paredes carbonosas, con tamaños menores a 50 nm. Los detalles de la figura 1 muestran una buena dispersión de las nanopartículas de Pt, con tamaños en el orden 0.8-4 nm. En la Fig.2 se muestran imágenes de HAADF-STEM obtenidas a diferentes ángulos. Las mismas reflejan la complejidad de la estructura, con espesores locales variables. Un análisis cuidadoso del volumen reconstruido permite estimar que el espesor de las paredes varía entre 10-25 nm. En la Fig.2 se muestra un corte en el plano indicado por la línea amarilla. El mismo revela claramente la geometría del material, el espesor variable de la pared y la presencia de poros en toda la muestra. Igualmente se aprecian la presencia de nanopartículas de Pt en la zona delgada del material y también en región correspondiente a los huecos entre esferas. Estos resultados sugieren que podría utilizarse esta técnica para estudiar la estructura de las regiones entre las esferas y determinar si las mismas contienen el material activo de interés en catálisis, baterías, etc. El espesor de esta región puede modificarse mediante el uso de nanoesferas de SiO2 de diferentes diámetros.