Autor: PRIETO LOBATO, Manuel
Título: Sustainable hydrothermal processing of hybrid cellulose nanomaterials for electrochemical and environmental applications
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento: FISICA APLICABLE E INGENIERIA DE MATERIALES
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/91301/
Director/a(s):
- Director/a: SHUTTLEWORTH, Peter S.
- Director/a: NAFFAKH CHERRADI HADI, Mohammed
Resumen: As technological advances raise living standards around the globe, the worlds population continues to grow, driving energy demand to levels that conventional power sources can no longer satisfy. These sources are not only limited, but also environmentally harmful, making renewable power the only sustainable solution to cover this demand. However, to fully harness the potential of renewable energy, it is crucial to develop reliable, high-performing energy storage technologies that effectively address the intermittent nature of these energy sources. Furthermore, increased industrial production has intensified environmental pollution. In particular, synthetic dyes, when released into water courses, are responsible for the persistent contamination of millions of litres of water. Unfortunately, conventional water treatment methods are unable to effectively remove these pollutants completely, resulting in severe environmental damage that presents a serious threat to wildlife, ecosystems and human health. This doctoral thesis aims to effectively tackle these global challenges through the development of sustainable, multifunctional biopolymeric materials. Specifically, biomass-derived activated carbons (ACs) were synthesised via hydrothermal carbonisation (HTC), an environmentally friendly, energy-efficient alternative to conventional carbonisation. These materials were further modified through the addition of layered transition metal dichalcogenides (TMDCs), specifically, 2D-WS2 nanosheets, to add functionality and improve conductivity. For energy storage applications, these sustainable ACs (and their WS2-doped counterparts) were assessed as electrodes for electrochemical capacitors, measuring their capacitance, power density and energy density. Remarkably, these materials yielded capacitance values exceeding 270 F/g and power densities close to 5000 W/kg, performance levels that, to date, few biomass-based materials have achieved. Moreover, their applicability as electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction (ORR), a crucial reaction in fuel cell energy storage was explored. Parameters such as the number of transferred electrons and the concentration of byproducts (specifically, the harmful HO2- ion) were evaluated. Overall, the synthesised ACs displayed competitive results compared to commercial platinum-based catalysts, highlighting the electrocatalytic potential of these materials. Simultaneously, a polymeric scaffold was developed by electrospinning a poly-L-lactic acid (PLLA) solution, which was further reinforced with WS2 nanosheets to enhance mechanical properties. Subsequently, AC was integrated into the polymeric matrix, yielding a hybrid material with excellent surface area, mechanical properties and adsorption capacity. This hybrid adsorbent was further tested for wastewater remediation, specifically for the adsorption of four dyes: two cationic (Methylene Blue, MB, and Rhodamine B, RB) and two anionic dyes (Methyl Orange, MO, and Congo Red, CR). The adsorption mechanism was studied through kinetic modelling and adsorption isotherms. Notably, the hybrid PLLA-WS2-AC adsorbent exhibited excellent adsorption performance with near-complete removal of the dyes, some of which were fully adsorbed in less than 15 minutes. Overall, the sustainably derived materials developed in this thesis exhibit impressive potential to tackle the energy and environmental challenges that will shape our future. Their exceptional performance underscores the importance of innovative, green solutions that pave the way for future advancements in sustainable development and green technology. RESUMEN A medida que los avances tecnológicos mejoran la calidad de vida, la población mundial continúa creciendo, conllevando unos niveles de demanda energética que las fuentes convencionales ya no pueden satisfacer. Estas fuente no solo son limitadas, sino que resultan perjudiciales para el medio ambiente, lo que convierte a la energía renovable en la única solución sostenible para cubrir esta demanda. Sin embargo, para aprovechar plenamente el potencial de la energía renovable, es fundamental desarrollar tecnologías de almacenamiento energético eficientes y seguras que permitan abordar los problemas derivados de la naturaleza intermitente de estas fuentes. Al mismo tiempo, el incremento en la producción industrial ha intensificado la contaminación ambiental. En particular, las tintas sintéticas, al ser vertidas en las masas de agua, contribuyen a la contaminación persistente de toneladas de agua. Por desgracia, los métodos convencionales de tratamiento de aguas no son capaces de eliminar eficazmente la totalidad de estos contaminantes, lo que conlleva graves daños medioambientales que presentan una seria amenaza a la fauna, los ecosistemas y la salud humana. Esta tesis tiene como objetivo abordar de forma efectiva estos desafíos globales mediante el desarrollo de materiales biopoliméricos multifuncionales y sostenibles. Concretamente, se sintetizaron carbones activados (ACs) derivados de biomasa mediante carbonización hidrotermal, una alternativa sostenible más eficiente energéticamente que la carbonización convencional. Estos materiales se modificaron posteriormente con la adición de dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs), específicamente nanoláminas de 2D-WS, para añadir funcionalidad y mejorar su conductividad. Para las aplicaciones de almacenamiento de energía, estos ACs sostenibles (y sus versiones dopadas con WS2) se utilizaron como electrodos en condensadores electroquímicos, evaluando su capacitancia, densidad de potencia y densidad energética. Estos materiales alcanzaron valores de capacitancia superiores a 270 F/g y densidades de potencia cercanas a 5000 W/kg, niveles de rendimiento que, hasta la fecha, pocos materiales basados en biomasa han alcanzado. Además, se exploró su aplicabilidad como electrocatalizadores para la reacción de reducción de oxígeno (ORR), una reacción crucial en las células de combustible. Se evaluaron parámetros como el número de electrones transferidos y la concentración de subproductos (en concreto el pernicioso ion HO2-). En general, los ACs sintetizados exhibieron resultados competitivos comparados con catalizadores comerciales basados en platino, lo que pone en valor el potencial electrocatalítico de estos materiales. Paralelamente, se desarrolló una matriz polimérica mediante el electrohilado de una disolución de ácido poli-L-láctico (PLLA), que fue reforzado con nanoláminas de WS2 para mejorar sus propiedades mecánicas. Posteriormente, se añadió AC a la matriz polimérica, dando lugar a un material híbrido con excelente área superficial, propiedades mecánicas y capacidad de adsorción. Este adsorbente híbrido se utilizó para la descontaminación de aguas, específicamente para la adsorción de cuatro tintas: dos catiónicas (Azul de Metileno, y Rodamina B) y dos aniónicas (Naranja de Metilo y Rojo Congo). El mecanismo de adsorción se estudió mediante modelos cinéticos e isotermas de adsorción. Cabe destacar que el adsorbente híbrido PLLA-WS2-AC mostró una excelente capacidad de adsorción, con una eliminación casi completa de las tintas, algunas de las cuales se eliminaron totalmente en menos de 15 minutos. En conjunto, los materiales de origen sostenible desarrollados en esta tesis muestran un excelente potencial para abordar los desafíos energéticos y medioambientales que marcarán nuestro futuro. Su rendimiento sobresaliente recalca la importancia de soluciones innovadoras y ecológicas que marquen el camino hacia futuros avances en desarrollo sostenible y tecnología verde.