Descripción y contextualización de la asignatura

La asignatura de “Técnicas modernas para la síntesis de nanomateriales (TU16)” es obligatoria y se imparte en el primer trimestre del 2ndo curso del Master Erasmus Mundus en Materiales para el Almacenamiento y Conversión de Energía (MESC+). Esta asignatura da continuidad a la asignatura obligatoria de “Química de Materiales (TU2)” del primer semestre del 1er curso de este Master, impartida en la Universidad de Varsovia (WUT, Polonia), así como a la asignatura obligatoria de “Química del Estado Sólido Avanzada (TU9)” del segundo semestre del 1er curso de este Master, impartida en la Universidad de Toulouse (UPS, Francia).

El curso dará una visión general a diferentes rutas sintéticas disponibles para la preparación de materiales con potencial aplicación en sistemas electroquímicos para el almacenamiento de energía (EES). Estos materiales pueden usarse como materiales de electrodos activos (positivos o negativos) y/o de electrolitos en sistemas como las baterías (tecnologías Li-ion, Na-ion, metal-aire, Li-azufre, baterías todo sólido, etc.) y supercondensadores (de doble capa (EDLC), híbridos. Además, por su naturaleza pueden ser materiales inorgánicos (óxidos, compuestos polianiónicos, aleaciones, etc.), materiales carbonosos (carbones porosos, grafito, grafeno, nanotubos de carbono y carbonos derivados de carburos, etc.) y materiales poliméricos (polímeros cristalinos y amorfos, mezclas de polímeros, polímeros reticulados, copolímeros de bloques y compuestos poliméricos). Los estudiantes adquirirán los conocimientos básicos sobre la variedad de métodos de síntesis (p.ej. síntesis de estado-solido, sol-gel, hidro- y solvo-termal, por precipitación, pirolisis, mecano-químicas, combustión, funcionalización, activación etc.) a disposición del químico para producir estos diferentes materiales. También se dará a conocer qué parámetros y variables experimentales pueden influir sobre la morfología y la microestructura de las muestras sintetizadas y como consecuencia en sus propiedades físico-químicas y electroquímicas.

Resultados del aprendizaje de la asignatura

- Conocer los principales métodos de síntesis empleados para la producción de materiales inorgánicos, carbonosos y poliméricos empleados en sistemas electroquímicos para el almacenamiento de energía (EES), y sabe explicar sus principales características.



- Proponer un método de síntesis (incluido posibles precursores y parámetros experimentales) para producir un material inorgánico, carbonoso o polimérico dado.



- Proponer alternativas sintéticas o postratamiento de una muestra para modificar su morfología y su microestructura, y como consecuencia en sus propiedades físico-químicas y electroquímicas.



- Realizar tareas básicas de síntesis en el laboratorio para la producción de materiales inorgánicos, carbonosos y poliméricos.



- Elegir métodos de caracterización para conseguir controlar la pureza y cristalinidad de las muestras sintetizadas.

Convocatoria ordinaria: orientaciones y renuncia

La evaluación del alumno se realizará a partir de las siguientes pruebas y trabajos:



1. Desarrollo de las prácticas de laboratorio y ejercicios propuestos. La nota de este apartado corresponderá al 25% de la nota final.

2. Un informe individual, el cual incluya la preparación, el desarrollo y los resultados de los trabajos de laboratorio realizados por el alumno. Esta nota corresponderá al 25% de la nota final.

3. Una prueba escrita, a desarrollar individualmente, cuya nota corresponderá al 50% de la nota final. Versará sobre la totalidad de los conocimientos y competencias abordados durante la asignatura (incluyendo clases magistrales, trabajo de laboratorio y trabajo de literatura).



La calificación final se calculará mediante la siguiente fórmula:

Calificación final = 0.5 (calificación examen escrito) + 0.25 (trabajo en el laboratorio) + 0.25 (informe de prácticas).

Aprobarán l@s alumn@s a los que habiéndoseles podido aplicar la fórmula anterior obtengan una calificación igual o superior a 5.0.

Convocatoria extraordinaria: orientaciones y renuncia

Los alumnos que se examinen en la convocatoria extraordinaria deberán realizar la prueba escrita final siendo evaluados en ella de la totalidad de la asignatura. Es decir, es obligatorio resolver el examen escrito completo de la convocatoria extraordinaria incluso aunque se haya aprobado el examen parcial.



Para el cálculo de la calificación final se utilizará la misma fórmula que en la convocatoria ordinaria. A los que no se les pueda aplicar la fórmula también se seguirá el procedimiento indicado en la convocatoria ordinaria. L@s alumn@s que no hayan aprobado o hayan renunciado a realizar las actividades para valorar los resultados de aprendizaje a lo largo del curso (prácticas de laboratorio, ejercicios, etc.) deberán examinarse de las competencias correspondientes mediante una prueba oral adicional en esta convocatoria extraordinaria.

Temario

1- Síntesis y procesamiento de materiales inorgánicos para sistemas EES

2- Síntesis y procesamiento de materiales poliméricos para sistemas EES

3- Síntesis y procesamiento de materiales carbonosos para sistemas EES

Bibliografía

Materiales de uso obligatorio

L@s alumn@s deberán utilizar las colecciones de cuestiones y problemas que los profesores publicarán a principio de curso, y para cada tema, en la plataforma eGela.







El alumno dispondrá en la plataforma eGela, del temario de la asignatura y de los guiones de prácticas en formato electrónico para favorecer la comprensión de los temas y el seguimiento ágil de las clases.

Bibliografía básica

- Introduction to Computational Chemistry, 2nd Edition, WILEY, by F. Jensen.

- Computational Chemistry of Solid State Materials: A Guide for Materials Scientists, Chemists, Physicists and others, WILEY, by R. Dronskowski and R. Hoffmann

Bibliografía de profundización

- Modern Inorganic Synthetic Chemistry. ELSEVIER, by Xu and Xu.



- M.S. Whittingham (2009) Synthesis of Battery Materials. In: Nazri GA., Pistoia G. (eds) Lithium Batteries. Springer, Boston, MA. DOI: 10.1007/978-0-387-92675-9_3.



- V. Palomares, T. Rojo. (2012) Synthesis Processes for Li-Ion Battery Electrodes – From Solid State Reaction to Solvothermal Self-Assembly Methods. DOI: 10.5772/27496.



- Carbons for Electrochemical Energy Storage and Conversion Systems, Edited by Francois Beguin and Elzbieta Frackowiak, CRC Press (2009). ISBN 9781420053074



- Polymer electrolytes: fundamentals and application, César Sequeira, Diogo Santos, Woodhead Publishing in Materials, Elsevier, August 2010. ISBN 1845699777, 9781845699772.



- Solid Polymer Electrolytes: Fundamentals and Technological Applications, Fiona M. Gray, Wiley, 1991, ISBN: 0471187372, 9780471187370.



- Solid state ionics for batteries, T Minami , M. Tatsumigo, , M. Wakihara, C. Iwakura, , S. Kohjiya, I. Tanaka, Springer-Verlag, 2005, ISBN: 4-431-24974-5.

Revistas

- Methods of synthesis and performance improvement of lithium iron phosphate for high rate Li-ion batteries: a review. T.V.S.L. Satyavani, A. Srivinas Kumar, P.S.V. Subba Rao. Engineering Science and Technology, an International Journal. 2015.



- From Charge Storage Mechanism to Performance: A Roadmap toward High Specific Energy Sodium‐Ion Batteries through Carbon Anode Optimization, Damien Saurel, Brahim Orayech, Biwei Xiao, Daniel Carriazo, Xiaolin Li, Teófilo Rojo, Advanced Energy Materials 8, 1703268 (2018).



- Polymer Electrolytes for Lithium-Based Batteries: Advances and Prospects, D. Zhou, D. Shanmukaraj, A. T. Kacheva, M. Armand. G. Wang, Chem 5, (2019) 2326.



- Production and processing of graphene and related materials, Claudia Backes et al. 2D Materials 7 (2020) 022001



- Three dimensional macroporous architectures and aerogels built of carbon nanotubes and/or graphene: synthesis and applications, Stefania Nardecchia, Daniel Carriazo, M. Luisa Ferrer, M. C. Gutierrez, Francisco del Monte, Chem. Soc. Rev., 42 (2013) 42, 794