Conducting polymers and hybrid materials for technological applications

Abstract

Depletion of natural resources and non-renewable energy sources has recently accelerated due to the development of globalized economy and industrialization. During the last years, the scientific community has devoted much of its efforts to developing and improving renewable energy sources. In this context, electrochemical capacitors, or supercapacitors, have received great interest owing to their properties and potential applications. Supercapacitors and their different components constitute the main line of work of the present thesis. More specifically the thesis investigates the use of hydrogels in various distinct functions. The work done in the thesis has been developed both experimentally and corroborated by theoretical studies based on quantum mechanics and molecular dynamics. The main body of the thesis is divided into three parts. The first one includes the synthesis and characterization of a hydrogel derived from an unsaturated polyesteramide as a solid electrolyte in a supercapacitor. This part consists of the electrochemical characterization of the hydrogel obtained, evaluating the performance of the hydrogel when acting as a solid electrolyte, as well as a study of ion diffusion through the hydrogel carried out with molecular dynamics. These studies allow to obtain the optimal conditions for the synthesis and use of this hydrogel. The second part is based on the preparation and characterization of a multilayer system as an electrode in a supercapacitor. More specifically, it covers the preparation of a multilayer system consisting of PVA and the conductive polymer PEDOT, prepared by a layer-by-layer process. The chapter also consists of a theoretical study of quantum mechanics in which the movement and changes of a PEDOT monolayer are studied, and allows to elucidate the mechanisms and electronic properties that had not been fully understood at the experimental level. Finally, the third and last part incorporates the preparation of a multifunctional system consisting entirely of hydrogels. The chapter begins by detailing the preparation of an electrode of a supercapacitor based on a PEDOT hydrogel and alginate. After its characterization as an electrode, other functionalities that can be given to this system are explored. Among them, a reusable and recyclable pressure sensor is prepared to detect pressure changes linearly and with great sensitivity, as well as a controlled drug release system, in particular a controlled release by electrical stimulation of curcumin.

Degut al desenvolupament de l'economia globalitzada i la industrialització, s'ha accelerat l'esgotament de recursos naturals i fonts d'energia no renovables. En els últims anys, la comunitat científica ha dedicat una gran part dels seus esforços a desenvolupar i millorar les fonts d'energia renovable. En aquest context, els capacitors electroquímics, o supercapacitors, han rebut un gran interès degut a les seves propietats i potencials aplicacions. El principal camp de treball d'aquesta tesis són els supercapacitors i les diferents parts que els constitueixen, més concretament la tesis estudia l'ús d'hidrogels en diverses funcions diferents. El treball fet a la tesis s'ha desenvolupat tant a nivell experimental com corroborat mitjançant estudis teòrics basats en la mecànica quàntica i la dinàmica molecular. El cos principal de la tesis està dividit en 3 parts. La primera part inclou la síntesis i caracterització d'un hidrogel derivat d'una poliesteramida insaturada com a electròlit sòlid en un supercapacitor. Aquesta part consta de la caracterització electroquímica de l'hidrogel obtingut, avaluant el rendiment de l'hidrogel a l'hora d'actuar com un electròlic sòlid, així com també consta d'un estudi de difusió dels ions a través d¿aquest dut a terme amb dinàmica molecular. Aquests estudis permeten obtenir les condicions òptimes per la síntesis i ús d'aquest hidrogel. La segona part està dedicada a la preparació i caracterització d'un sistema multicapa com a elèctrode en un supercapacitor. Més concretament, es basa en la preparació d'un sistema multicapa format per PVA i el polímer conductor PEDOT, preparat mitjançant un procés capa per capa. El capítol consta també d'un estudi teòric de mecànica quàntica en el que s'estudia el moviment i canvis d'una monocapa de PEDOT, i permet elucidar els mecanismes i propietats electròniques que no s'havien entès completament a nivell experimental. Finalment, l'última part es tracta de la preparació d'un sistema multifuncional format completament per hidrogels. El capítol comença detallant la preparació d'un elèctrode d'un supercapacitor basat en un hidrogel de PEDOT i alginat. Després de la seva caracterització com a elèctrode, s'exploren les altres funcionalitats que se li poden donar a aquest sistema. Es prepara un sensor de pressió reutilitzable i reciclable que permet detectar canvis de pressió linealment i amb una gran sensibilitat, i també es prepara un sistema d'alliberament controlat de fàrmacs, concretament l'alliberament controlat mitjançant estímul elèctric de curcumina