Semi-amorphous carbon nitride films derived from soluble polymeric precursors: towards multifunctional electrochemical coatings with enhanced stability

Abstract

En els darrers anys, la demanda generada a les noves indústries electroquímiques relacionades amb energies verdes ha derivat en un augment de l’interès per diferents formes de materials basats en carboni, ja que han esdevingut un nou focus a la ciència dels elèctrodes.

Amb tot, malgrat l’atractiva conveniència econòmica i industrial dels materials de suport basats en carboni, la seva estabilitat oxidativa és en la majoria de casos molt inferior comparada amb la resistència a l’oxidació de metalls nobles o fins i tot de sistemes d’òxids metàl·lics.

Tot i així, dues famílies de materials pertinents al grup de suports basats en carboni representen una excepció a aquesta regla general – els carbonis vitris i els nitrurs de carboni.

Els anomenats carbonis vitris, produïts mitjançant la piròlisi de polímers carbonacis barats, posseeixen una estabilitat oxidativa, juntament amb una alta conductivitat i estabilitat química. El motiu principal d’aquest fet roman en que el procés de piròlisi, el qual deriva en la formació de carboni vitri, requereix temperatures notòriament elevades (de 1000 a 3000°C).

Un altre grup de la família dels carbonacis, distingits per la seva elevada estabilitat oxidativa, els nitrurs de carboni, exhibeixen una combinació de propietats que la fan pràcticament l’antípoda dels carbonis vitris. La temperatura de piròlisi, en comparació a la del carboni vitri, és significativament inferior, trobant-se en el rang de 400-600°C.

Com a pedra angular d’aquesta tesi, es va formular la hipòtesi de l’existència d’un nou membre de la família dels materials carbonacis, el nitrur de carboni vitri, que podria ser produït mitjançant la piròlisi de precursors polimèrics rics en nitrogen, retenint així una gran quantitat de nitrogen en la seva forma final. També es va suposar que els materials conseqüentment obtinguts combinarien els avantatges dels carbonis vitris i els nitrurs de carboni sense presentar els seus inconvenients.

Aquest material va ésser eficientment sintetitzat i ha permès la síntesi de diversos revestiments electroquímicament estables i catalíticament actius basats en ell.

En los últimos años, la demanda generada en las nuevas industrias electroquímicas relacionades con las energías verdes han derivado en un mayor interés por distintes formas de materiales basados en carbono, ya que se han convertido en un nuevo foco en la ciencia de los electrodos.

Sin embargo, a pesar de la atractiva conveniencia económica e industrial de los materiales de soporte basados en carbono, su estabilidad oxidativa es en la mayoría de los casos muy baja si se compara con la resistencia a la oxidación de metales nobles o incluso de sistemas de óxidos metálicos.

Aun así, dos familias de materiales pertenecientes al grupo de los soportes basados en carbono representan una excepción a esta regla general – los carbonos vítreos y los nitruros de carbono.

Los llamados carbonos vítreos, producidos mediante la pirólisis de polímeros carbonáceos baratos, poseen una estabilidad oxidativa exclusiva, junto con una alta conductividad y estabilidad química. El origen de este hecho recae en que el proceso de pirólisis, el cual deriva en la formación de carbono vítreo, requiere temperaturas notoriamente elevadas (de 1000 a 3000°C).

Otro grupo de la familia de los carbonáceos, distinguidos por su elevada estabilidad oxidativa, los nitruros de carbono, exhiben una combinación de propiedades que la hacen ser prácticamente la antípoda de los carbonos vítreos. La temperatura de pirólisis en comparación con la del carbono vítreo es significativamente inferior, hallándose en el rango de los 400-600ºC.

Como piedra angular de esta tesis, se formuló la hipótesis de la existencia de un nuevo miembro de la familia de los materiales carbonáceos, el nitruro de carbono vítreo, que podría ser producido mediante la pirólisis de precursores poliméricos ricos en nitrógeno, reteniendo así una gran cantidad de nitrógeno en su forma final.

También se supuso que los materiales consiguientemente obtenidos combinarían las ventajas de los carbonos vítreos y los nitruros de carbono sin presentar sus inconvenientes.

Este material ha sido eficientemente sintetizado y ha permitido la síntesis de varios revestimientos electroquímicamente estables y catalíticamente activos basados en él.

In the recent years the demand generated by newborn electrochemical industries related to green energy resulted in increased interest in different forms of carbon-based materials became a new hotspot in the electrode science. However, in spite of appealing industrial and economic convenience of carbon-based support materials, their oxidative stability in most cases is much lower compared with the resistance to oxidation of noble metals and even metal oxide systems. Nevertheless, two families of materials belonging to the group of carbon-based supports represent an exception to this general rule – glassy carbons and carbon nitrides. The so-called glassy (or vitreous) carbons, produced by means of pyrolysis of cheap carbonaceous polymers, possess an exclusive oxidative stability together with high conductivity and chemical inertness. The main reason for this lies in the fact that the pyrolysis process, leading to the formation of vitreous carbon, requires noticeably high temperatures (1000 to 3000 oC Another group of material of the carbonaceous family, distinguished for its high oxidative stability, carbon nitrides, exhibits the combination of properties making it nearly antipodean to vitreous carbon. The pyrolysis temperature, in contrast with glassy carbon, is rather low, laying in the 400 to 600 oC range. As a cornerstone for the present thesis, it was hypothesized the existence of a new member of the carbonaceous materials family, glassy carbon nitride, that could be produced by means of pyrolysis of nitrogen-rich polymeric precursors and retain high nitrogen content in the final form. It was also supposed that the material thus obtained would combine the benefits of vitreous carbons and carbon nitride without having their drawbacks. Such a material was efficiently fabricated and various electrochemically stable and catalytically active coatings have been synthesized based on the material.