El estudio de materiales híbridos o nanocompuestos basados en óxidos moleculares electroactivos del tipo “polioxometalatos” inmovilizados en matrices orgánicas como en aerogeles de carbono, representan una alternativa innovadora de material nanoestructurado. A diferencia de otros óxidos metálicos (MnO2, RuO2, NiO, ZnO) más estudiados en la comunidad internacional, los polioxometalatos (POMs) llevan a cabo electroquímicamente procesos redox multielectrónicos reversibles que pudieran ser de gran utilidad en el proceso de almacenamiento de carga en una celda supercapacitiva. Sin embargo, para aplicaciones en estado sólido necesitan estar inmovilizados a una matriz sólida, debido a problemas de solubilidad y/o dispersión. La inmovilización de POMs en matrices de aerogeles de carbono resultaría en materiales de bajo costo, con gran área superficial, porosidad controlada, alta conductividad iónica y electrónica, baja toxicidad y actividad redox, sin la problemática que los POMs presentan al no estar anclados. Todas estas propiedades son de gran utilidad en aplicaciones de almacenamiento de energía, específicamente en Supercapacitores Electroquímicos. En este proyecto pretendemos dispersar distintos polioxometalatos ligándolos a la superficie de aerogeles de carbono con el objetivo de determinar la relevancia de parámetros morfológicos, estructurales, químicos y electroquímicos. Se inducirá la unión covalente de los POMs mediante la incorporación de grupos funcionales oxigenados, ya que resultados preliminares sugieren que la densidad de grupos funcionales en la superficie del carbón determina la densidad, el tamaño y la dispersión de las partículas de POM incorporado. Esta quimisorción de POM probablemente afecte las propiedades electrónicas de los nanocarbones y las propiedades redox de los óxidos moleculares. Estos efectos se estudiarán experimentalmente, de manera que se tenga una pauta concreta para al diseño de los materiales nanoestructurados requeridos como electrodos en una celda supercapacitiva. Se estudiará y comparará una variedad de materiales híbridos innovadores basados en una familia de óxidos metálicos moleculares llamados Polioxometalatos (POM), los cuales serán soportados en aerogeles de carbón de gran porosidad. Se caracterizarán la microestructura, la interacción de los componentes del material nanoestructurado, la estabilidad térmica, sus procesos electroquímicos y sus aportaciones en electrodos de una celda supercapacitiva. Los factores o propiedades de mayor relevancia a estudiar serán la dispersión y tamaño de las partículas de POMs incorporadas a la matriz de aerogel de carbono, el control de la micro-mesoporosidad, el área superficial efectiva, la ganancia en pseudocapacitancia y su relación con el tipo de anclaje de los óxidos moleculares, los efectos sinérgicos en la reversibilidad de los electrodos por la interacción electrónica entre los POMs y su matriz, los fenómenos de penetración y llenado de poros (conductividad iónica) en función de la incorporación de grupos funcionales y microestructura de la matriz. Se buscará el material híbrido óptimo con mayor área superficial efectiva, buena conductividad electrónica, con contribuciones capacitivas de procesos electrostáticos y pseudocapacitivos, a la vez que se examinará la relación estructura-propiedad de los diferentes híbridos y su relación con los métodos de síntesis.

Uno de los problemas actuales de contaminación ambiental es la emisión de CO2, donde la gran cantidad de coches existentes contribuyen a este problema. El uso de gasolina como principal elemento para el funcionamiento de estos coches es la causa que contribuye a la contaminación. Una opción para enfrentar este problema han sido los coches híbridos, donde la cantidad de gasolina se reduce porque sólo se utiliza para proporcionar los picos de potencia necesarios para acelerar, y las baterías proporcionan la energía necesaria para el desplazamiento a velocidad constante. Otra opción podría ser el uso de Supercapacitores Electroquímicos en lugar de gasolina, ya que éstos son considerados como baterías recargables de gran potencia que pueden proporcionar los picos de demanda energética y recargarse al frenar, obteniéndose así un coche totalmente eléctrico que no contamine. Aunque atractiva, esta tecnología ha tenido como factor limitante el costo y la toxicidad de los materiales de electrodo, por lo que este proyecto propone el desarrollo de materiales innovadores de menor toxicidad y costo, basados en aerogeles de carbono decorados con óxidos moleculares electroquímicamente activos. La propuesta se inspira en trabajo previo sobre electrodos de aerogeles de carbono, así como trabajos más recientes de aerogeles dopados con nanopartículas de RuO2 donde se combina la capacitancia de la doble capa con la pseudocapacitancia debida a los procesos de protonación del óxido. En trabajo preliminar con electrodos basados en POM-Nanofibras de Carbono y POM-Nanotubos de carbono obtuvimos capacitancias altas y muy estables en los ciclos de carga-descarga. Estamos seguros de que el estudio sistemático de híbridos basados en la incorporación de POM a matrices de aerogeles de carbono puede contribuir al desarrollo de materiales con alta eficiencia en el almacenamiento electroquímico de energía, ya que se tratan de óxidos moleculares que pueden llevar a cabo múltiples protonaciones y dispersarse a nivel molecular, ventajas con las que no cuentan las nanopartículas de RuO2.