Modificación de las características químicas superficiales de aerogeles de carbono por tratamientos oxidativos

Modification of the chemistry surface characteristics of carbon aerogels by oxidative treatments

Se prepararon aerogeles de carbono por la carbonización de aerogeles orgánicos sintetizados por el método sol-gel a partir de formaldehído, resorcinol y un catalizador básico; se modificó su superficie por tratamientos con oxígeno (8,8% en nitrógeno) y ácido nítrico. Los materiales se caracterizaron por isotermas de adsorción con nitrógeno a 77 K, descomposición con temperatura programada (DTP) de CO y CO₂, punto de carga cero y punto isoeléctrico. Se encontró que los aerogeles modificados presentan micro y mesoporosidad bien desarrollada. Los resultados obtenidos por DTP muestran que la oxidación con oxígeno incrementa la concentración de grupos hidroxilo y carbonilo en la superficie de los aerogeles, mientras que la oxidación con ácido nítrico incrementa la concentración de grupos carboxilo.

INTRODUCCIÓN

Los aerogeles de carbono son materiales novedosos que han recibido atención especial en los últimos años (1-4). Se obtienen a partir de la policondensación sol-gel de algunos monómeros orgánicos, tales como resorcinol y formaldehído, y su posterior carbonización. La estructura porosa resultante está formada por una red polimérica interconectada a escala nanométrica, semejante a la estructura de un coral, con diámetros de poro en el rango de 0 a 20 nm (5). Este tipo de conformación es responsable de la micro y mesoporosidad (6), el desarrollo del área superficial (entre 400 y 900 m²/g) y la baja densidad del material (del orden de 0,03 g/cm³) (7), características que los hacen prometedores para su aplicación como adsorbentes (8) y soportes para catalizadores (3, 9).

En el presente trabajo se sintetizaron aerogeles de carbono siguiendo el método propuesto por Pekala (10). Primero se produce la polimerización del gel orgánico por la mezcla de resorcinol con formaldehído en presencia de un catalizador básico en disolución acuosa; la segunda etapa comprende el proceso de curado al someter al gel a un tratamiento térmico, seguido de un intercambio del solvente inicial (H₂O) por un solvente orgánico, con el fin de favorecer la tercera etapa donde se da el secado con CO₂ a condiciones supercríticas (31 K y 7,4 MPa) para eliminar el disolvente, buscando suprimir la formación del menisco entre las dos fases (líquido-vapor), minimizando la tensión y consiguiendo dejar vacío el espacio entre las partículas que dará lugar a la meso y macroporosidad (11-13), obteniéndose el aerogel orgánico. La última etapa consiste en la carbonización del aerogel orgánico, donde se somete a un tratamiento térmico en atmósfera inerte (usualmente nitrógeno) a temperaturas inferiores a los 1.073 K.