Resumen de la tesis que presenta Marco Vinicio Rodríguez Barreras como requisito parcial para la obtención
del grado de Maestro en Ciencias en Nanociencias
Estudio teórico-experimental de nanopartículas de carbono dopadas con nitrógeno y boro para almacenamiento de iones de litio
Resumen aprobado por:
|
Dr. Rodrigo Ponce Pérez
Codirector de tesis
|
Dr. Jassiel Rolando Rodriguez Barreras
Codirector de tesis
|
Resumen en español
Esta tesis presenta un estudio teórico-experimental del efecto que tiene dopar partículas de carbono con B y N sobre su capacidad de almacenamiento de iones de Li. Se sintetizaron 5 compuestos orgánicos del tipo: [(CxH2x+1)3N]BH3 variando “x” desde 2 hasta 10, los cuales fueron sometidos a un proceso de pirólisis a alta temperatura para obtener las muestras carbonáceas dopadas con B y N (CBNx). Estas se caracterizan por ser partículas de 4.3 ± 1.42 μm, cuya morfología tiende a ser esférica a medida que la longitud de cadena de carbono del precursor orgánico aumenta. Asimismo, la cristalinidad de las muestras se ve afectada por la presencia de B y N, observando que el incremento de su concentración en el compuesto orgánico genera la aparición de fases secundarias, como nitruro de B y carbonitruros. También, se observa que la concentración de B y N en las muestras CBNx alcanzan la condición de dopaje, concentración atómica ≤ 1%, cuando se utiliza un compuesto orgánico [(CxH2x+1)3N]BH3 con x ≥ 6. La evaluación electroquímica de las muestras CBNx como ánodo de baterías recargables de iones de Li (BIL) demostró su potencial en el almacenamiento de energía. La muestra CBNoctil, obtenida a partir de pirólisis del compuesto [(C8H17)3N]BH3, presentó el mejor desempeño electroquímico, con una capacidad específica de 501.9 mAh/g a una densidad de corriente de 120 mA g−1 después de 200 ciclos. Complementariamente, se realizaron estudios de primeros principios con la teoría del funcional de la densidad para calcular la energía de formación de las partículas de carbono dopadas con B, N y BN, e identificar las configuraciones que pueden tomar en la celda C50 tipo grafeno. Los resultados computacionales mostraron 4 configuraciones posibles para el dopaje individual, y 4 favorables para el co-dopaje dual de B y N. Los estudios de litiación de la celda revelaron que el B y N grafíticos como dopaje individual generan nuevos sitios aptos para almacenamiento de iones de Li, mientras que, el co-dopaje presenta estos sitios solo si ambos se encuentran separados, presentando una capacidad gravimétrica teórica de 532 mAh/g en la celda BC48N optima.
Esta tesis presenta un estudio teórico-experimental del efecto que tiene dopar partículas de carbono con B y N sobre su capacidad de almacenamiento de iones de Li. Se sintetizaron 5 compuestos orgánicos del tipo: [(CxH2x+1)3N]BH3 variando “x” desde 2 hasta 10, los cuales fueron sometidos a un proceso de pirólisis a alta temperatura para obtener las muestras carbonáceas dopadas con B y N (CBNx). Estas se caracterizan por ser partículas de 4.3 ± 1.42 μm, cuya morfología tiende a ser esférica a medida que la longitud de cadena de carbono del precursor orgánico aumenta. Asimismo, la cristalinidad de las muestras se ve afectada por la presencia de B y N, observando que el incremento de su concentración en el compuesto orgánico genera la aparición de fases secundarias, como nitruro de B y carbonitruros. También, se observa que la concentración de B y N en las muestras CBNx alcanzan la condición de dopaje, concentración atómica ≤ 1%, cuando se utiliza un compuesto orgánico [(CxH2x+1)3N]BH3 con x ≥ 6. La evaluación electroquímica de las muestras CBNx como ánodo de baterías recargables de iones de Li (BIL) demostró su potencial en el almacenamiento de energía. La muestra CBNoctil, obtenida a partir de pirólisis del compuesto [(C8H17)3N]BH3, presentó el mejor desempeño electroquímico, con una capacidad específica de 501.9 mAh/g a una densidad de corriente de 120 mA g−1 después de 200 ciclos. Complementariamente, se realizaron estudios de primeros principios con la teoría del funcional de la densidad para calcular la energía de formación de las partículas de carbono dopadas con B, N y BN, e identificar las configuraciones que pueden tomar en la celda C50 tipo grafeno. Los resultados computacionales mostraron 4 configuraciones posibles para el dopaje individual, y 4 favorables para el co-dopaje dual de B y N. Los estudios de litiación de la celda revelaron que el B y N grafíticos como dopaje individual generan nuevos sitios aptos para almacenamiento de iones de Li, mientras que, el co-dopaje presenta estos sitios solo si ambos se encuentran separados, presentando una capacidad gravimétrica teórica de 532 mAh/g en la celda BC48N optima.
Palabras clave: partículas de carbono, dopaje de boro y nitrógeno, almacenamiento de iones de Li, ánodo, baterías recargables.
Resumen en inglés
This thesis presents a theoretical and experimental study of the effect of doping carbon particles with B and N on their Li-ion storage capacity. Five organic compounds of the type: [(CxH2x+1)3N]BH3 were synthesized by varying "x" from 2 to 10, which were subjected to a high-temperature pyrolysis process to obtain carbonaceous samples doped with B and N (CBNx). These are characterized by being particles of 4.3 ± 1.42 μm, whose morphology tends to be spherical as the carbon chain length of the organic compound increases. The crystallinity of the samples is affected by the presence of B and N, observing that the increase in their concentration in the organic compound generates the appearance of secondary phases, such as B nitride and carbon nitride. Also, it is observed that the concentration of B and N in the CBNx samples reach the doping condition, atomic concentration ≤ 1%, when the organic compound [(C6H13)3N]BH3 with x ≥ 6 is used. The electrochemical evaluation of CBNx samples as anodes for rechargeable lithium-ion batteries (LIBs) demonstrated their potential in energy storage. The CBNoctil sample, obtained from the pyrolysis of the compound [(C8H17)3N]BH3, presented the best electrochemical performance, with a specific capacity of 501.9 mAh/g at a current density of 120 mA g−1 after 200 cycles. First-principles studies using density functional theory were performed to calculate the formation energy of carbon particles doped with B, N, and BN, and to identify the configurations they can take in the graphene-like C50 cell. Computational results showed 4 possible configurations for individual doping, and 4 favorable configurations for co-doping of B and N. Lithiation studies of the cell revealed that graphitic B and N as individual doping generate new sites suitable for Li ion storage, while the co-doping of B and N presents these sites only if both are separated from each other, presenting a theoretical gravimetric capacity of 532 mAh/g in the optimal BC48N cell.
This thesis presents a theoretical and experimental study of the effect of doping carbon particles with B and N on their Li-ion storage capacity. Five organic compounds of the type: [(CxH2x+1)3N]BH3 were synthesized by varying "x" from 2 to 10, which were subjected to a high-temperature pyrolysis process to obtain carbonaceous samples doped with B and N (CBNx). These are characterized by being particles of 4.3 ± 1.42 μm, whose morphology tends to be spherical as the carbon chain length of the organic compound increases. The crystallinity of the samples is affected by the presence of B and N, observing that the increase in their concentration in the organic compound generates the appearance of secondary phases, such as B nitride and carbon nitride. Also, it is observed that the concentration of B and N in the CBNx samples reach the doping condition, atomic concentration ≤ 1%, when the organic compound [(C6H13)3N]BH3 with x ≥ 6 is used. The electrochemical evaluation of CBNx samples as anodes for rechargeable lithium-ion batteries (LIBs) demonstrated their potential in energy storage. The CBNoctil sample, obtained from the pyrolysis of the compound [(C8H17)3N]BH3, presented the best electrochemical performance, with a specific capacity of 501.9 mAh/g at a current density of 120 mA g−1 after 200 cycles. First-principles studies using density functional theory were performed to calculate the formation energy of carbon particles doped with B, N, and BN, and to identify the configurations they can take in the graphene-like C50 cell. Computational results showed 4 possible configurations for individual doping, and 4 favorable configurations for co-doping of B and N. Lithiation studies of the cell revealed that graphitic B and N as individual doping generate new sites suitable for Li ion storage, while the co-doping of B and N presents these sites only if both are separated from each other, presenting a theoretical gravimetric capacity of 532 mAh/g in the optimal BC48N cell.
Palabras clave: carbon particles, boron and nitrogen doping, lithium-ion storage, anode, rechargeable batteries.