QUÍMICA : ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

CAMPOS DE INTERÉS NACIONAL E INTERNACIONAL Tratamiento de efluentes y reutilización de agua Generación y acumulación de energía Salud

Fuentes de contaminación Contaminación industrial Contaminación doméstica Contaminación del agua

TRATAMIENTOS MÁS UTILIZADOS P/DEGRADAR COMPUESTOS ORGÁNICOS RECALCITRANTES

Electro- oxidación Electro- oxidación { Electrodos típicos (Pt, Au) Electrodos de BDD PbO 2, RuO 2, SnO 2,IrO 2 TiO 2,CdS,Bi 2 S 3 { Incineración (Foto)Electroquímica Potenciales estándar de algunos agentes oxidantes 1.09Br 2 /Br¯ 1.23O 2 /H 2 O 1.34Cl 2 /Cl¯ 1.78H 2 O 2 /H 2 O 2.08O 3 /O H 2 O/OH  3.06F 2 /F¯ Eº / V vs SHEAgente oxidante Procesos de oxidación avanzada. 5

Ventajas: Permite la incineración de materia orgánica (CO 2 ) Relativa facilidad de escalamiento Tecnología compacta Facilidad en la operación y control Reacciones llevadas a cabo sobres electrodos de BDD en solución de H 2 SO 4.

M + H 2 O  M(*OH) + H + + e - aM(*OH) + R  aM + mCO 2 + nH 2 O + xH + + ye - M(*OH)  M + ½ O 2 + H + + e - 2M(*OH)  2M + H 2 O 2 PbO 2 SnO 2 BDD ANTECEDENTES CONOCIDOS DE REACCIONES DE OXIDACIÓN ORGÁNICA (ÁNODOS NO ACTIVOS) ÁNODO O H O H H2O2H2O2 O2O2 O H

O H CARACTERÍSTICAS DEL ÁNODO IDEAL Descriptores Moleculares HIPÓTESIS Y OBJETIVO DEL PROYECTO

MATERIALES Diseño Síntesis Caracterización Aplicación

Gráfica de Ragone para baterías Gravimétrica Volumétrico J.M. Tarascon, M. Armand, Nature 414 (2001) 359

FUNCIONAMIENTO

Estructuras cristalinas durante la carga de una batería (deintercalación) High Energy Density Lithium Batteries Materials, Engineering, Applications

Estructura cristalina del LiMn 2 O 4 completamente cargado High Energy Density Lithium Batteries Materials, Engineering, Applications

Ventajas de los materiales mesoporosos Partículas de Pt mesoporosas soportadas sobre KIT-6 J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14526–14529 Excelente transporte J.-M. Tarascon, Phil. Trans. R. Soc. A 2010, 368,

Perspectiva de las baterías ion-Li para los próximos 30 años

Criterios de un material electródico ideal para baterías -Alta conductividad electrónica -Rápida difusión de Li + -Sitios cristalográficos vacíos -Bajo costo y toxicidad -Estabilidad química y térmica -Partículas porosas de gran tamaño

Baterías de Na 2 S x. Alta densidad energética Alta eficiencia de carga/descarga (89-92 %) Largos tiempos de vida Muy bajo costo Desventajas Temperatura de operación C Naturaleza corrosiva Limitado a aplicaciones móviles de gran escala

Síntesis de estructuras mesoporosas de Carbón

Factores a mejorar en las baterías de alta capacidad - Incremento por un factor de 15 en su energía (180 W h kg -1 ) - Costo de fabricación - Volumen - Capacidad autónoma para 500 km Incrementos de 57 % energía 2 X Capacidad Cátodo 10 X Capacidad Ánodo Incrementos de 47 % energía

Retos de la fabricación de materiales para baterías ion-Li -Establecer condiciones de síntesis y técnicas de bajo costo para la fabricación de estructuras mesoporosas ordenados de carbón (soporte de material activo). -Fabricación de estructuras rígidas de carbon que soporten la intercalación/deintercalación de Li + (tiempo de vida). -Materiales activos que presenten altas conductividades iónicas (Li + ) y electrónicas (e - ) (incrementos densidad de energía). -Materiales que soporten mas de 1e- por metal de transición (incrementos en la capacidad de la batería).

Estructuras propuestas como plantillas

Método de fabricación - Combustión con plantilla solida (“hard template” por sus siglas en ingles) Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 4909–4927

Materiales de bajo costo y abundantes en la naturaleza

LiFePO 4 Estructura tipo Olivine (muy estable durante ciclado) No tóxica Térmicamente estable Amigable con el ambiente Potencialmente barato Densidad de energía y capacidad razonables Desventajas Difusión Li + 1-D Bajo transporte Mal conductor electrónico 26

Interests on Li-ion battery research Energy density of cell 2 X C cathode 57% 10 X C anode 47% Y. Liang et al. Electrochemistry Communications 9 (2007) M.M. Thackeray, et al., JB. Mater. Res. Bull., 18 (1983) Energy Environ. Sci., 6 (2013) Theoretical and real capacity of typical electrode materials AnodeLiC (372mAh/g) 92% mAh/g CathodeLiCoO 2 (273 mAh/g) 50% ~135 mAh/g LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (278 mAh/g) 55% ~155mAh/g LiMn 2 O 4 (148 mAh/g) 82% ~122 mAh/g LiFePO 4 (170 mAh/g) 98% ~166.2 mAh/g