Incorporación de nanotubos de carbono en estructuras metal-orgánicas para el almacenamiento de hidrógeno

Abstract

En nuestros días el almacenamiento de hidrógeno sigue siendo una limitante para aprovechar todo el potencial que tiene este recurso en producir energía limpia, en respuesta a ello, esta investigación se enfoca en la utilización de los nanotubos de carbono y las estructuras metal-orgánicas como alternativas, ya que ambos presentan excelentes capacidades de adsorción de hidrógeno. En esta tesis se propuso aprovechar dos de los materiales más prometedores tecnológicamente en la adsorción física de hidrógeno; los nanotubos de carbono y las estructuras metal-orgánicas, creando un material híbrido que logre acercarse a los requerimientos del Departamento de Energía de los Estados Unidos para su aplicación. Para lograrlo se sintetizaron por la vía solvotermal materiales compósitos basados en nanotubos de carbono incorporados in situ en MOFs(FeBTC, HKUST-1, y MOF-177). Este trabajo logró avances muy importantes en cuanto a la modificación de las MOFs mejorando sus propiedades texturales y morfológicas del material y así promover su aplicación tanto en procesos de adsorción como en otros campos de aplicación. En este proyecto de investigación se obtuvieron resultados muy interesantes en cuanto a las capacidades de adsorción de hidrógeno siendo 27.4 % mayores a los reportados en la literatura para la HKUST-1 y 54% para la MOF-177, también se logró observar mediante estudios de adsorción como el calor isostérico de adsorción aumenta cuando se le incorporan los nanotubos a las MOF, demostrando que la incorporación de estas nanoespecies crean nuevos sitios de mejor interacción. Además, la incorporación de estas nanoestructuras de carbono en todas las MOFs logró aumentar su estabilidad térmica hasta en 100°C para la FeBTC, lo cual abre una posibilidad para su utilización en otros campos como la catálisis y otras aplicaciones donde la estabilidad del material lo limitaba. Intentar explicar los resulados a nivel microscópico nos llevo a estudiar el comportamiento de una MOF (HKUST-1) mediante estudios teóricos de DFT en VASP, esto con el objetivo de entender como interactúan las moléculas del gas con las MOF y la posibilidad de que los NTC´s interactúen con está. Parte de la información obtenida de los estudios teóricos logró corroborar lo obtenido de los estudios de la adsorción de hidrógeno a presiones moderadas, utilizando el sistema de espectroscopia Raman in situ mediante el uso de una celda construida en nuestro laboratorio.

The hydrogen storage is still a limiting factor to exploit the full potential of this resource in producing clean energy. In response, this research focuses on the use of carbon nanotubes and metal-organic frameworks as promising materials because they present excellent hydrogen adsorption capacities. In this thesis it was proposed to take advantage of two of the most technologically promising materials in the physical adsorption of hydrogen; Multi-walled carbon nanotubes and metal-organic frameworks, creating an composite material that archieves to gather the requirements published by Department of Energy for its application The incorporation of carbon nanotubes in the metal-organic frameworks will increase the adsorption capacity of the MOF. To achieve were synthetized by the solvotermal route composite materials based on carbon nanotubes incorporated in situ in MOFs (FeBTC, MOF-177 and HKUST-1). This work achieved very important advances in the modification of the MOFs improving its textural and morphological properties of the material, so that promote its application in both adsorption processes and other fields of application. In this research project, very interesting results were obtained in terms of hydrogen adsorption capacities, being 27.4% higher than those reported in the literature for HKUST-1 and 54% for MOF-177. It was also observed how the adsorption isosteric heat increases when the nanotubes are incorporated in the MOF, demonstrating that the incorporation of these nanospecies creates new sites of better interaction. On the other hand, the incorporation of carbon nanostructures in all MOFs to increase their thermal stability up to 100 ° C for FeBTC, which opens up a possibility for their use in other fields such as catalysis and other applications where the stability of material is limited. In the results at a microscopic level, we studied the behavior of a MOF (HKUST-1) through theoretical studies of DFT in VASP, with the aim of understanding how the gas molecules interact with the MOF and the possibility that NTC's interact with this. Part of the information obtained by the theoretical studies was corroborated through the studies of hydrogen adsorption at moderate pressures, using in situ Raman spectroscopy system by using a quartz cell constructed in our laboratory.