Nanomateriales a base de carbono y nanoestructuras relaccionadas/afines

Reducción térmica del óxido de grafeno (GO)

El óxido de grafeno (GO) despierta un gran interés debido a su uso como precursor de materiales basados en el grafeno y a su gran flexibilidad en términos de modificación funcional, ofreciendo aplicaciones prometedoras en un amplio número de campos. A pesar de los esfuerzos por investigar su estructura atómica, la cúal es crítica para conocer sus propiedades, varios aspectos siguen siendo desconocidos, en particular el comportamiento de los grupos funcionales de oxígeno (OFGs) durante la reducción del GO. Por ello, hemos desarrollado dos enfoques diferentes para estudiar, en profundidad, la reducción térmica del GO mediante medidas TEM in situ: calentamiento por efecto Joule [S. Hettler, D. Sebastian, M. Pelaez-Fdez, A. Benito, W. Maser, R. Arenal, 2D Mat. 8, 031001 (2021)] y el calentamiento vía una fuente externa [ M. Pelaez-Fernandez, A. Bermejo-Solis, A.M. Benito, W. Maser, R. Arenal, Carbon 78, 477 (2021)], véase la Figura 1. Para lograr estos estudios exhaustivos, hemos realizado HRTEM, difracción de electrones y EELS. Además para este estudio (S. Hettler, D. Sebastian, M. Pelaez-Fdez, A. Benito, W. Maser, R. Arenal, 2D Mat. 8, 031001 (2021), se han combinado esas caractrizaciones con medidas de conductividad eléctrica. En ambos estudios hemos identificado las transformaciones de los diferentes grupos funcionales de oxígeno, la desorción de agua fisorbida y quimisorbida y la grafitización de las escamas de GO. Estos análisis proporcionan una hoja de ruta detallada del comportamiento del GO durante su reducción. Todos estos resultados mejoran en gran manera el conocimiento de este complejo y heterogéneo material, lo que es crucial para el estudio de sus propiedades físicas y químicas y sus futuras aplicaciones.

Figura 1: La reducción del GO se ha seguido mediante estudios detallados de TEM in situ (HRTEM y EELS). Se han seguido todos los procesos implicados en la transformación GO => r-GO para ambos enfoques: Izquierda y centro: térmico [M. Pelaez-Fernandez, A. Bermejo-Solis, A.M. Benito, W. Maser, R. Arenal, Carbon 78, 477 (2021)] ; Derecha: Calentamiento por efecto Joule [S. Hettler, D. Sebastian, M. Pelaez-Fdez, A. Benito, W. Maser, R. Arenal, 2D Mat. 8, 031001 (2021)].

References: M. Pelaez-Fernandez, A. Bermejo-Solis, A.M. Benito, W. Maser, R. Arenal, Carbon 78, 477 (2021) and S. Hettler, D. Sebastian, M. Pelaez-Fdez, A. Benito, W. Maser, R. Arenal, 2D Mat. 8, 031001 (2021).

Nanotubos de carbono funcionalizados

También hemos investigado nanoestructuras de carbono puras y funcionalizadas (NT, grafeno, escamas, nanopartículas…). En cuanto al estudio de la funcionalización de los C-NTs mediante TEM, un ejemplo reciente de estos trabajos se muestra en la Fig. 2. Aquí hemos estudiado, mediante medidas EELS resuelto espacialmente y HRTEM, estos sistemas híbridos compuestos por C-NTs (Coll. S. Reich, Berlin Frei U. (Alemania)). Así, hemos demostrado la robustez y la estabilidad de este sistema, que es muy interesante ya que satisface los requisitos de biocompatibilidad. 

Figura 2: (a) Micrografía HRTEM de una cuerda de nanotubos de pared única. (b) Imagen HAADF-STEM de otra cuerda de 3 o 4 CNTs de pared única. En la zona marcada en rojo de esta imagen se ha obtenido un espectro EELS (SPIM). (c) Mapa de la distribución de nitrógeno extraído del EELS-SPIM. (d) Suma de 9 espectros EEL seleccionados de las tres áreas marcadas en el SPIM, Fig. (b). Mientras que el C-K es visible en todos los espectros, el N-K sólo es visible en el espectro azul (Fig. (d-(ii)) Espectro EEL. (e) y (f) Umbrales de absorción C- y N-K extraídos de los espectros EEL de la Fig. (d), respectivamente.

Reference: A Setaro, M Adeli, M Glaeske, D Przyrembel, T Bisswanger, G Gordeev, M. Weinelt, R Arenal, R Haag, S. Reich, “Preserving p-conjugation in covalently functionalized carbon nanotubes for optoelectronic applications”, Nature Communications 8, 14281 (2017).

Misfit layered compounds (MLC) – nanotubes

Se ha sintetizado una nueva familia de nanotubos (NTs) 1D de Compuestos de capas Misfit (MLCs) mediante la técnica de transporte químico de vapor y se ha realizado un amplio estudio estructural y composicional de estas nanoestructuras. En particular, en dichos NTs se ha desarrollado TEM de alta resolución (barrido/scanning), EELS resuelto espacialmente y difracción de electrones. Estos análisis demuestran la sustitución (parcial) en fase de La por Y en el subsistema (La,Y)S. La estructura observada puede relacionarse con los parámetros de red ligeramente diferentes de LaS e YS, así como con una alteración de la transferencia de carga.

Figura 3: A Estructura atómica de las TN de MLC. a, Micrografía SEM de las estructuras tubulares de la muestra La0.8Y0.2S-TaS2 (x = 0.2) e ilustración esquemática de dichos NTs. b, Imagen HAADF-STEM de dicha muestra. El apilamiento de capas es alterno a lo largo del eje c revelando dos vectores de plegado girados 30° uno respecto al otro. c, Análisis EELS de un NT de la misma muestra Y20. Ta e Y están separados espacialmente entre las diferentes capas que se ven en la imagen de DF.

Reference: S. Hettler, M.B. Sreedhara, M. Serra, S.S. Sinha, R. Popovitz-Biro, I. Pinkas, A.N. Enyashin*, R. Tenne*, R. Arenal*, “YS-TaS2 and La1-xYxS-TaS2 (0≤x≤1) Nanotubes: a New Family of Misfit Layered Compounds”, ACS Nano 14, 5445–5458 (2020).