DIVISIN DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERA DEPARTAMENTO DE
DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA : ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE
Tratamiento de efluentes y reutilización de agua CAMPOS DE INTERÉS NACIONAL E INTERNACIONAL Generación y acumulación de energía Salud
Fuentes de contaminación Contaminación doméstica Contaminación industrial Contaminación del agua
TRATAMIENTOS MÁS UTILIZADOS P/DEGRADAR COMPUESTOS ORGÁNICOS RECALCITRANTES
Procesos de oxidación avanzada. Potenciales estándar de algunos agentes oxidantes Agente oxidante Eº / V vs SHE F 2/F¯ 3. 06 H 2 O/OH 2. 80 O 3/O 2 2. 08 H 2 O 2/H 2 O 1. 78 Cl 2/Cl¯ 1. 34 O 2/H 2 O 1. 23 Br 2/Br¯ 1. 09 Electrooxidación { Electrodos típicos (Pt, Au) { Incineración (Foto)Electroquímica Pb. O 2, Ru. O 2, Sn. O 2, Ir. O 2 Ti. O 2, Cd. S, Bi 2 S 3 Electrodos de BDD 5
Reacciones llevadas a cabo sobres electrodos de BDD en solución de H 2 SO 4. Ventajas: • • Permite la incineración de materia orgánica (CO 2) Relativa facilidad de escalamiento Tecnología compacta Facilidad en la operación y control
ANTECEDENTES CONOCIDOS DE REACCIONES DE OXIDACIÓN ORGÁNICA (ÁNODOS NO ACTIVOS) BDD M + H 2 O M(*OH) + H+ + e- ÁNODO Pb. O 2 Sn. O 2 O H a. M(*OH) + R a. M + m. CO 2 + n. H 2 O + x. H+ + ye- H + O 2 M(*OH) M + ½ O 2 + H + e O ÁNODO O H H 2 O 2 2 M(*OH) 2 M + H 2 O 2
HIPÓTESIS Y OBJETIVO DEL PROYECTO ÁNODO O H Descriptores Moleculares CARACTERÍSTICAS DEL ÁNODO IDEAL
ción acte riza Car esis Sínt Dise ñ o n ó i c a c i pl A MATERIALES
Volumétrico Gráfica de Ragone para baterías Gravimétrica 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 Li. Mn 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 Excelente transporte J. -M. Tarascon, Phil. Trans. R. Soc. A 2010, 368, 3227 -3241 J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14526– 14529
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 Sx. • • Alta densidad energética Alta eficiencia de carga/descarga (89 -92 %) Largos tiempos de vida Muy bajo costo Desventajas • • • Temperatura de operación 300 -350 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 2 X Capacidad Cátodo 10 X Capacidad Ánodo Incrementos de 57 % energía 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 1 e- 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
Li. Fe. PO 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 Theoretical and real capacity of typical electrode materials Anode Cathode Li. C (372 m. Ah/g) 92% Li. Co. O 2 (273 m. Ah/g) 50% ~135 m. Ah/g 2 X Ccathode 10 X Canode Li. Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (278 m. Ah/g) 55% ~155 m. Ah/g 57% 320 -360 m. Ah/g Li. Mn 2 O 4 (148 m. Ah/g) 82% ~122 m. Ah/g Energy density of cell 47% Costs of cathode materials (200 g) *MTI Corporation Li. Co. O 2 Li. Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 Li. Fe. PO 4 $ 139. 95 $182. 95 USD$ 93. 26 Y. Liang et al. Electrochemistry Communications 9 (2007) 965 -970 M. M. Thackeray, et al. , JB. Mater. Res. Bull. , 18 (1983) 461 -472 Energy Environ. Sci. , 6 (2013) 1521 -1528 Li. Fe. PO 4 (170 m. Ah/g) 98% ~166. 2 m. Ah/g
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