Estudio de mejora de las propiedades de polímeros conductores electrogenerados : verificación de parámetros de aplicación tecnológica

Abstract

Since their discovery, the spectacular properties of polymers called "conducting" have given rise to an important field of study in order to obtain knowledge about them and their commercial application in many fields such as those reviewed in first chapter of this thesis.
 To achieve the greatest potential of conducting polymers (CP) an improvement in making the polymerization processes is needed. Ways of obtaining conducting polymer based materials with electric properties in accordance with the corresponding applications are required.
 In the second chapter, the experimental methodology applied to the development of the studies that constitute the later chapters has been advanced. This chapter has also included all the analytical techniques used. 
 The study of the optimization of electrochemical polymerization conditions of two conducting polymers such as poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly(N-methylpyrrole) (PNMPy) and three-layered systems formed of alternating films from the two previous CPs has been presented in the third chapter. This improvement has been divided into two phases:
 - The reduction of the monomer concentration in the solution and simultaneous application of dynamic flow conditions therein during the electrochemical generation. 
 - The reduction of the concentration of supporting electrolyte, keeping the monomer concentration at the previous reduced value and stirring the solution, as in the previous case. This second decrease has only been applied to PEDOT.
 The purpose of these studies has been to decrease the pollutant load of depleted solutions, reducing the environmental impact in CP films manufacturing, which has also maintained and even increased some of the properties of their electrical response. The effectiveness of the method by making an application in a supercapacitor has also been demonstrated. 
 In the fourth chapter, studies about electrolytic polymerization and characterization of the properties of the composite materials obtained with a PNMPy base and two types of incorporations have been developed as:
 - Cu nanoparticles obtained by the reduction reaction of an aqueous solution of copper chloride (II).
 - Nanoparticles of molybdenum oxide (VI) suspended in an acetonitrile-water mixture.
 With the making of these composite materials, modulating the electroactive properties of the PNMPy has been pursued.
 The fifth chapter has focused to the study of obtaining PEDOT and PNMPy alternating layers to form three-layered films whose intermediate layer incorporates a dielectric material such as montmorillonite (MMT) clay. The influence of this type of clay has been related to the properties regarding the thickness of the PEDOT inner and outer layers. These materials have also been characterized for their application as supercapacitors.
 Finally, PEDOT films generated in acetonitrile and deionized water solutions have been subjected to a simple thermal treatment whose results have been studied in sixth chapter. This treatment has caused an increase in the material conductivity that has been associated with a modification of its physical structure, which depends on the solvent used in the anodic polymerization. The nature of the structural changes promoted by the heat treatment has also been analysed. Desde su descubrimiento, las espectaculares propiedades de los polímeros llamados "conductores" han suscitado un importante ámbito de estudio en aras de conseguir su conocimiento y su aplicación comercial en multitud de campos como los que se han revisado en el primer capítulo de la presente tesis. El gran potencial que representan los polímeros conductores, pasa por facilitar y mejorar los procesos de polimerización. Pero también por encontrar formas de obtener materiales con propiedades electroactivas acordes con las aplicaciones correspondientes. En el segundo capítulo se ha expuesto la metodología experimental utilizada para el desarrollo de los estudios de los capítulos posteriores. Asimismo, incluye todas las técnicas analíticas empleadas. El estudio de optimización de las condiciones de electropolimerización de dos polímeros conductores como son poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT), poli(N-metilpirrol) (PNMPy) y sistemas tricapa formados por films alternos de los dos polímeros anteriores, se ha presentado en el tercer capítulo. Dicha mejora se ha dividido en dos fases: - Reducción de la concentración de monómero en la disolución y aplicación simultánea de condiciones dinámicas de flujo en la misma durante la electrogeneración. - Reducción de la concentración de electrolito dopante, manteniendo la concentración de monómero en el valor reducido anterior y la agitación de la disolución como en el caso precedente. Esta segunda disminución sólo ha sido aplicada a PEDOT. La finalidad de estos estudios ha sido aminorar la carga contaminante de las soluciones agotadas, reduciendo el impacto ambiental en la fabricación de los films de polímeros conductores, que además han mantenido e incluso incrementado algunas de las propiedades de su respuesta eléctrica. También se ha demostrado la eficacia del método realizando una aplicación en un supercapacitor. En el cuarto capítulo se han desarrollado estudios de polimerización electrolítica y caracterización de las propiedades de los materiales compuestos obtenidos con base de PNMPy y dos tipos de incorporaciones como: - Nanopartículas de Cu obtenidas por reacción de reducción de una solución acuosa de cloruro de cobre (II). - Nanopartículas del óxido de molibdeno (VI) en suspensión en una mezcla acetonitrilo-agua. Con la elaboración de estos materiales compuestos se ha perseguido modular la electroactividad del PNMPy. El quinto capítulo se ha dedicado al estudio de obtención de films tricapa constituidos por películas alternas de PEDOT y PNMPy, cuya capa intermedia incorpora un material dieléctrico como la arcilla denominada montmorillonita (MMT). Se ha relacionado la influencia de la arcilla en las propiedades respecto al espesor de las capas interna y externa de PEDOT. Estos materiales también han sido caracterizados para su aplicación como supercapacitores. Por último, films de PEDOT generado en solución de acetonitrilo y agua desionizada han sido sometidos a un tratamiento térmico en secuencia simple cuyos resultados se han estudiado en el capítulo sexto. Dicho tratamiento ha provocado un incremento de su conductividad asociado a una modificación de la estructura física del material, que ha dependido del disolvente utilizado en la electropolimerización. También se ha analizado la naturaleza de los cambios estructurales promovidos por el tratamiento térmico.