Obtención de grafeno dopado con cobalto, por exfoliación térmica del compuesto de intercalación de grafito G-CoCl2.

Abstract

El campo de los nanomateriales ha evolucionado de manera rápida, abriéndose paso entre los materiales ya existentes. Uno de los más importantes, y con gran revuelo científico es el “grafeno”. El grafeno es un material nanométrico bidimensional, compuesto por capas de átomos de carbono dispuestas en anillos hexagonales, confiriéndole propiedades físicas y químicas únicas, que pueden aumentar al dopar al material con metales de transición o de transición interna. Este material ha cobrado especial importancia debido al amplio espectro de aplicaciones tecnológicas, tales como, baterías de alta densidad energética, tabletas flexibles, celdas solares de alta eficiencia, escáneres médicos mejorados electrónicamente, comunicaciones de altísima velocidad e iluminación LED con bajísimo consumo energético. No obstante, este presenta una desventaja considerable; la producción en volúmenes suficientemente amplios mediante un proceso que facilite la obtención de este material dopado para su aplicabilidad industrial. Es por eso, que se propone en este estudio un nuevo método de producción de grafeno dopado con cobalto, por exfoliación del compuesto de intercalación de grafito GIG-CoCl2. Para la obtención de grafeno se han estudiado diferentes técnicas, que pueden agruparse como técnicas TOP-DOWN, cuando se obtiene grafeno de espesor nanométrico a partir de un material de espesor micrométrico como el grafito, o BOTTOM-UP, cuando se obtiene la estructura de grafeno a partir de átomos de carbono generados mediante descomposición de moléculas orgánicas, como por ejemplo en un horno usando la técnica CVD (Chemical Vapor Deposition). A partir de estudios previos, en este trabajo se ha optimizado una de las técnicas TOP-DOWN, concretamente el proceso de exfoliación térmica. Primeramente, se analizo el compuesto de intercalación de grafito, mediante la difracción de rayos X para confirmar la presencia del intercalante, resultando así un índice de etapa Ic = 0,95 nm para la etapa 1, e Ic = 1,28 nm para la etapa 2. La exfoliación del compuesto de intercalación de grafito, se llevó a cabo usando el método de exfoliación térmica a 850 ºC, bajo corriente de argón e hidrógeno, en relación molar 2:1, y vapor de etanol; este último inyectado por un económico método de nebulización utilizando un nebulizador para afecciones bronco respiratorias, en un reactor formado por un tubo de cuarzo, y un tiempo de tratamiento de 30 minutos. Los compuestos exfoliados se colocan en una solución de etanol al 70 % v/v y se trata con ultrasonido por 15 minutos; obteniéndose lamelas de grafeno muy finas. El estudio por microscopia electrónica de barrido (MEB), muestra notoriamente la exfoliación del compuesto intercalado, observándose la separación de lamelas de grafeno delgadas bidimensionales 2D. Los análisis de composición química de las muestra de grafeno, por EDX, confirma la existencia de los elementos cobalto y oxígeno, indicando que en el proceso de exfoliación permanecen en la estructura de las lamelas finas para dar forma a un óxido de grafeno. Esto permite el cambio en las propiedades químicas y físicas de interés tecnológico.