Funcionalización superficial de nanotubos de carbono mediante enlace covalente para supercondensadores electroquímicos de alta densidad de energía

Desde su descubrimiento, los nanotubos de carbono han atraído la atención de los científicos de todo el mundo. Este extraordinario interés proviene de sus extraordinarias propiedades estructurales, mecánicas y electrónicas, que hace a estos materiales atractivos para su uso en múltiples aplicaciones. Aunque los nanotubos de carbono son químicamente inertes, su funcionalización les hace adquirir propiedades físicoquímicas adicionales.

Autora: [Süheda ISIKLI. Instituto IMDEA Energía]

 Los nanotubos de carbon (CNTs) son estructuras cilíndricas con un radio que puede ser de solo unos pocos nanómetros y una longitud que puede ser de hasta 20 cm. Los CNTs se pueden ver como una lámina de grafeno enrollada, formando los llamados nanotubos de pared sencilla (SWNTs, Fig.1a). Si hay más de una lámina de grafeno enrollada en el mismo tubo se forman los llamados nanotubos de pared múltiple (MWNTs, Fig.1b), que incluyen los de doble pared (DWNTs) (Fig.1c)¹.

 Fig. 1. (a): SWNTs con diferentes helicidades, (b): MWNT, and (c): DWNT¹

 Los nanotubos de carbono pueden ser metálicos o semiconductores lo que, junto a sus propiedades mecánicas y estructurales, los hacen especialmente atractivos. Su poca reactividad química también es atractiva para muchas aplicaciones, pero la posibilidad de su funcionalización química y las propiedades y aplicaciones que se derivan de la misma (almacenamiento de hidrógeno, almacenamiento y conversión de energía, etc) hace de este un campo muy importante de la química actual.

 En almacenamiento de energía el uso de diferentes tipos de CNTs permite el desarrollo de diferentes clases de supercondensadores. Por ejemplo, los nanotubos de por sí ya se han usado como electrodos en supercondensadores de doble capa electroquímica, mientras que nanotubos modificados con, por ejemplo, ciertos polímeros u óxidos metálicos se pueden usar en pseudocondensadores.

En los supercondensadores de doble capa electroquímica la energía se almacena por atracción electrostática, lo que hace que las densidades de potencia y los ciclos de vida de estos dispositivos sean muy altos. La buena conductividad eléctrica y la alta área superficial de los CNTs los hace muy prometedores como materiales de electrodo de estos dispositivos.

 En los pseudocondensadores la energía se almacena por reacciones electroquímicas de oxidación y reducción, por lo que son dispositivos que tienen mayores densidades de energía. Los nanotubos modificados o funcionalizados con compuestos electroquímicamente activos son unos materiales de electrodo muy prometedores para estos dispositivos.

 Para optimizar los CNTs usados en los pseudocondensadores es necesario encontrar un método químico de funcionalización adecuado. Los métodos sin enlace covalente entre el CNT y el compuesto que lo modifica² son menos adecuados que aquellos que forman un enlace covalente, como puede ser una oxidación química³ o una reducción de sales de diazonio aromáticas⁴. Este último método tiene la ventaja adicional de que los grupos funcionales añadidos a los CNTs pueden usarse en otras reacciones químicas, como por ejemplo para la adición de diferentes moléculas⁵.

 Sin embargo ninguno de los métodos de funcionalización de los CNTs desarrollados hasta ahora son suficientemente adecuados, lo que hace de éste uno de los campos de más interés en la química de materiales, ya que repercutiría no solo en mejores supercondensadores sino en la posible viabilidad de todo un abanico de aplicaciones para los nanotubos. 

1. Harris, P.F. (1999). Carbon Nanotubes and Related Structures: New Materials for the Twenty-first Century, Cambridge University Press: Cambridge.
2. N. Karousis, N. Tagmatarchis, Chem. Rev. 110 (2010) 5366.
3. W. Xia, C. Jin, S. Kundu, M. Muhler, Carbon 47 (2009) 919
4. P. Abiman, G.G. Wildgoose, R.G. Compton, Int. J. Electrochem. Sci. 3 (2008)

       104.

5.    Ghanem.A,M.Kocak,I.Mayouf,A.Alhosan,M.Bartlett,P, Electroquimica Acta, (2012) 74– 80