Propiedades estructurales y magnéticas de nanomateriales basados en carbono

Abstract

En este trabajo se estudiaron diversos materiales basados en carbono. En primer lugar se estudió el efecto de la irradiación iónica y electrónica sobre grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) desde una perspectiva estructural y topográfica, con el objetivo de contribuir al entendimiento de la influencia de los defectos producidos en la estructura sobre las propiedades magnéticas en este tipo de grafito. Se eligieron iones H+ y electrones como los proyectiles incidentes, utilizando diferentes dosis y energías que permiten establecer comparaciones y correlacionar aspectos estructurales y morfológicos con respuestas magnéticas de las muestras. Se concluye a partir de los resultados con irradiación iónica, que ciertos defectos dependen más fuertemente de la dosis que de la energía incidente, y se identifican y clasifican estos defectos utilizando espectroscopía Raman. Adicionalmente, se caracterizan los defectos superficiales observados mediante microscopía de fuerza atómica, concluyendo que los correspondientes a las muestras irradiadas con iones se deben a la rotura superficial de ampollas de gas hidrógeno producidas en las muestras como consecuencia de las irradiaciones. En el caso de las muestras irradiadas con electrones, los defectos superficiales presentan un aspecto rugoso, originado posiblemente por un efecto conjunto entre la generación de defectos puntuales y un aumento de temperatura local en el punto de incidencia de la sonda electrónica, que dan como resultado tensiones y distorsiones en la red sp2. Continuando con el estudio de sistemas carbonosos, se sintetizaron exitosamente compuestos de grafito con nanopartículas de níquel, mediante un método de precipitación de un paso, utilizando diferentes tratamientos térmicos. Este material, presenta diferentes propiedades electromagnéticas en el rango de frecuencias de microondas de 0,1 a 3,0 GHz, que dependen del método de preparación. Los resultados indican que al agregar mecánicamente las nanopartículas de Ni, la eficiencia de blindaje electromagnético mejora ampliamente comparando con el grafito. La misma se incrementa aun más al sintetizar químicamente las nanopartículas con el grafito y al someter la muestra resultante a un tratamiento térmico. Esto se debe al incremento del coeficiente de absorción de microondas, promovido por un aumento en la magnetización de saturación de la muestra. Finalmente se aborda el estudio de un sistema híbrido compuesto de diferentes polvos grafíticos decorados con nanopartículas de magnetita. Estas nuevas estructuras se caracterizaron mediante diversos métodos. Los resultados muestran que las estructuras grafíticas poseen una alta densidad de nanopartículas esféricas de magnetita inmobilizada en sus superficies, cuya cantidad se relaciona con el tamaño de las láminas de grafito y con el número y tipo de defectos presentes en los diferentes materiales grafíticos. Estos sistemas resultan aptos para su utilización en sensores electroquímicos de H2O2, y para material de ánodos en baterías de iones de Li, exhibiendo excelente capacidad de ciclado y rendimiento.

In this work we have studied different carbon-based materials. First, we asess irradiation effectsin highly oriented pyrolitic graphite (HOPG) produced by H+ions and electrons, from a structuraland topographic perspective. The main purpose is to contribute to the understanding of theinfluence of the produced structural defects on the magnetic properties in this kind of graphite. Byusing different ion energies and dose, we can correlate structural and morphological characteristicswith magnetic signals in the samples. From the results obtained in our ion-irradiated samples, wecan conclude that certain kind of defects are more dose-dependent rather than energy-dependent.A classification of these defects is possible by using Raman spectroscopy. Furthermore, the surfacedefects are observed in atomic force microscopy images, revealing that the ion-irradiated samplespresent hydrogen gas bursting blisters, as a consequence of H2storage after ion irradiation. Theimages corresponding to the electron irradiated samples show a wrinkled surface, originated bythe generation of point defects, and also by a local temperature rise at the irradiation spot, thatgenerates tension and distorsions in the sp2network.We continue to inverstigate carbon-based systems, by evaluating a hybrid material composedby different graphite powders and magnetite nanoparticles. These new structures are characteri-zed by several methods. The results show that the hybrids present a high density of magnetitenanoparticles inmobilized at the surfaces, and its number is related with the size and kind ofdefect present in the different graphite substrates. These systems are tested to be used as anelectrochemical sensor of H2O2, and also as Li ion battery anode materials, showing excellentperformances in both applications.The last carbon-based system under study is a compound of graphite flakes and Ni nanopar-ticles, sinthesized by a co-precipitation method, using different heat treatments. The electromag-netic properties of this material in the microwave frecuency range 0,1–3,0 GHz depend on thepreparation method. The results show that when the Ni nanoparticles are mechanically mixedwith the graphite, the shielding properties are improved. The performance is enhanced even morewhen the mixture is chemically synthezised and an adequated heat treatment is performed. This isdue to the improved cristallinity and magnetization properties of the sample. In order to compare7 8the electromagnetic shielding efficiency of the metal-graphite hybrid material, another compoundwas synthesized, consisting of the same graphite substrate but with Mn-Zn (Mn0,6Zn0,4Fe2O4)ferrite nanoparticles. We used different nanoparticles/graphite ratios in the chemical mixture.The results show that in the considered frequency range, the graphite - Ni nanoparticles system isbetter for microwave shielding. Although the interactions between an electromagnetic wave anda non homogeneous hybrid nanostructured system are a very complicated problem, we proposequalitative explanations for our results, based on the structural and electromagentic propertiesof the synthesized systems.