Síntesis, caracterización, propiedades eléctricas y electroquímicas de Na₃V₂-xAlx(PO₄)2F₃ (x=0,0.02, 0.05, 0.1) como cátodos para su aplicación en baterías de ion-litio

Propósito y Método del Estudio: La demanda de baterías recargables ha aumentado de manera significativa cada año durante la última década impulsada por las necesidades vinculadas con el desarrollo tecnológico (portabilidad, alto desempeño de dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos). La batería ión-litio es el dispositivo de mayor consumo, está diseñado para el almacenamiento y conversión de energía eléctrica basado en electrodos de intercalación. En la actualidad los esfuerzos están dirigidos a la mejora y/o remplazo de los componentes actuales de las baterías: ánodo, cátodo (LiCoO2) y electrolito, por materiales que tengan más altos rendimientos en términos de energía, potencia, costo, confiabilidad, tiempo de vida y seguridad. En este trabajo de investigación se prepararon y caracterizaron cuatro compuestos Na3V2-xAlx(PO4)2F3 (x= 0, 0.02, 0.05, 0.1) como materiales catódicos para baterías ión-litio. Estos materiales se obtuvieron mediante el método Pechini. La caracterización morfológica y microestructural se llevó a cabo por Microscopia Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM), el análisis textural por Fisisorción de N2 por la técnica BET; la composición química y cristalográfica se determinó por Espectroscopia de Emisión de Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-OES), Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos X (EDXS) y Difracción de Rayos X (XRD), mientras que por Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) se realizó la caracterización eléctrica; por último la aplicación de los materiales como cátodos en baterías ión-litio se evaluó mediante pruebas Galvanostáticas de carga/descarga. Contribuciones y Conclusiones: Se establecieron las condiciones de síntesis para los materiales Na3V2-xAlx(PO4)2F3 x= 0, 0.02, 0.05 y 0.1 vía método Pechini. El dopaje de la fase Na3V2-xAlx(PO4)2F3 se llevó a cabo con éxito hasta x=0.1 moles de aluminio, dado que se conservó la estructura cristalina tetragonal del Na3V2(PO4)2F3 (JCPDS 01-089-8485). Los materiales obtenidos tienen una microestructura formada por partículas de forma granular de tamaño nanométrico (40-100nm), esto se atribuye al efecto del carbono residual en la muestra (en promedio 8% en peso) ya que inhibe el crecimiento de partícula, además que permite mejorar el contacto entre las partículas lo que beneficia a la conductividad electrónica del material. Los materiales obtenidos tienen en promedio un tamaño de poro de 20 nm, con un área superficial del orden 30 m2/g. La fase con 0.05 moles de aluminio presentó el mejor resultado bajo las condiciones de estudio. Conjuga dos de las características básicas de una batería, presenta una alta capacidad de carga/descarga (123/101 mAh/g a un voltaje de celda de 4.4 V vs Li) y una buena capacidad de retención (82%), en comparación al material sin dopar (128/63 mAh/g y 49% de retención). Por lo anterior, el dopaje de la fase Na3V2(PO4)2F3 con Al, logró la estabilización de la estructura frente a los procesos de ciclado. Por lo cual es un material prometedor para su aplicación como cátodos en baterías ión-litio o ión-sodio.

Purificación de aire mediante oxidación fotocatalítica de gases contaminantes NOₓ: estudio de los fotocatalizadores TiO₂ y ZnO

Los óxidos de nitrógeno (NOx) son gases contaminantes que afectan al medio ambiente al ser responsables de la formación de smog fotoquímico, lluvia ácida, ozono troposférico, reducción de la capa de ozono, además de participar en el efecto invernadero en la forma de N2O. Adicionalmente, la exposición a estos gases provoca daños a la salud de los seres humanos. Una propuesta tecnológica para abordar esta problemática ambiental es su eliminación mediante un proceso fotooxidativo, lo cual requiere del empleo de óxidos semiconductores con alta actividad fotocatalítica. En el presente trabajo de investigación se valoró el alcance de la tecnología de fotocatálisis heterogénea para la purificación de aire por eliminación de gases tipo NOx. Para este propósito, en una primera parte del trabajo se construyó un reactor fotocatalítico de acuerdo a la norma internacional ISO 22197-1 con el fin de realizar las pruebas fotocatalíticas en condiciones estándar a las establecidas por la regulación internacional y dar así consistencia a los resultados obtenidos. La segunda parte del trabajo consistió en la síntesis y caracterización de los óxidos semiconductores TiO2 y ZnO por el método sol-gel para lo cual en cada caso se aplicó un diseño de experimentos con el fin de encontrar las condiciones experimentales que permitieran la obtención del mejor fotocatalizador de cada sistema en base a sus propiedades fisicoquímicas. La actividad fotocatalítica de las muestras de TiO2 y ZnO se determinó en la reacción de fotooxidación de óxido nítrico (NO) en aire bajo radiación UV. Los mejores fotocatalizadores fueron seleccionados para pruebas de desempeño variando las condiciones experimentales de la reacción fotocatalítica como el caudal volumétrico que entró al reactor, la irradiancia y la cantidad de humedad presente en el medio de reacción, evaluando además el efecto de diversas variables experimentales de la reacción fotocatalítica en sus respectivos valores. Asimismo, el seguimiento de los productos de reacción confirmó la presencia iones nitrato (NO3-) como producto mayoritario de la fotooxidación de NO, lo que dota al proceso de eliminación de NO de un carácter sustentable. En una tercera parte del trabajo se probó la actividad fotocatalítica del fotocatalizador TiO2 cuando fue incorporado en un prototipo de material de construcción. El desempeño fue probado bajo condiciones simuladas y reales de exposición a la intemperie. Los resultados obtenidos indicaron la potencial aplicación de los materiales para el desarrollo comercial de productos fotocatalíticos. En la parte final del trabajo se presentan resultados obtenidos con óxidos semiconductores alternos a los convencionales como Bi2Mo3O12 y TiO2/WO3 cuyo principal propósito fue el de desarrollar fotocatalizadores cuya activación fuera mediante absorción en la porción visible del espectro solar.

Síntesis y caracterización de materiales nanoestructurados con potencial aplicación como un sensor de glucosa

El presente proyecto se llevó a cabo con el fin de contribuir al desarrollo de nuevos materiales para ser implementados en dispositivos para el sensado de glucosa no ezimaticos, en este trabajo se realizaron diversos estudios sobre desarrollo de nanofibras de carbón decoradas con nanoestructuras de ZnO y CuO, en el que según reportes realizados por diversos investigadores tanto el ZnO como el CuO han presentado excelentes resultados para ser implementados en sensores de glucosa no enzimáticos gracias a las propiedades físicas y químicas que estos presentan, además que las nanofibras presentan alta porosidad, buena conducción y pueden funcionalizarse fácilmente por lo que es ampliamente utilizada como sustrato para depósito de nanoestructuras de semiconductores. Las nanofibras de carbón fueron obtenidas mediante la técnica de electrohilado utilizando como materia prima poliacrilonitrilo y posteriormente fueron sometidas a una calcinación en una atmosfera inerte. Las nanofibras de carbón fueron pre-tratadas para el depósito y crecimiento de las nanoestructuras de ZnO y CuO en donde se utilizó síntesis por hidrotermal para crecimiento de los semiconductores. La caracterización morfológica y estructural se lleco a cabo por Microscopia Electrónica de Barrido (SEM), Microcopia Electrónica de Transmisión (TEM), la composición química y cristalográfica de los materiales se determinó por medios de Espectroscopia de Infrarrojo de Transformada de Furier (FTIR), Espectroscopia de Energía Dispersiva de rayos X (EDXS), Difracción de Rayos X (DRX), así mismo se llevó a cabo el Análisis Térmico Diferencial y Análisis Térmico Gravimétrico simultáneamente, finalmente los materiales fueron caracterizados electroquímicamente por Voltamperometría Cíclica (CV) para conocer si este material podría tener potencial aplicación en sensores de glucosa no enzimático. Contribuciones y Conclusiones: Se establecieron las óptimas condiciones para obtención de las NFCs utilizando PAN como precursor mediante la técnica de electrohilado, además se consiguió determinar las condiciones para una carbonización controlada en una atmosfera de airenitrógeno. Así mismo se determinaron las condiciones óptimas para la producción de nanoestructuras de ZnO/CuO mediante el sembrado y crecimiento de nanopartículas sobre las NFCs. La diversidad en la morfología y la cantidad de material en la superficie de las nanofibras son de gran importancia en la eficiencia del material ya que ésta se ve perjudicada cuando se tiene pobres cantidades depositadas. Por otro lado, el ZnO no presenta sensibilidad por sí sólo, ante la presencia de la glucosa, del mismo modo el CuO presentó la misma incapacidad de detección. El uso de CuO como catalizador en el ZnO ha demostrado que el electrodo modificado de NFCs/ZnO-CuO presenta propiedades para oxidar la glucosa, en comparación a los de NFCs/ZnO y NFCs/CuO los cueles no presentaron ninguna actividad de oxidación para esta. Lo que permitió tener una idea que al depositar estos dos materiales depositados en el mismo sustrato, la eficiencia de éstos incrementa, lo cual podría contribuir a investigaciones futuras para estos materiales.

Transporte de nano SiO₂ por migración a través de materiales cementantes

Uno de los nanos materiales más investigados actualmente es la nano-sílice, la cual ha despertado el interés de muchos investigadores debido a que está aportando grandes beneficios a los materiales base cemento. La nano-sílice ha demostrado que mejora las propiedades de los materiales cementantes tanto en estado fresco como en endurecido. Puede modificar las propiedades reológicas o la trabajabilidad en estado fresco, así como la resistencia a la compresión y la porosidad de las estructuras después de la etapa de endurecimiento. Es por esto que estas nano-partículas representan la oportunidad de realizar importantes avances que permitan optimizar el uso de los recursos actuales y el aprovechamiento de los materiales cementantes. En este trabajo, se está estudiando la posibilidad de utilizar la nano-sílice como un tratamiento superficial que ayude a disminuir el impacto del medio ambiente en estructuras en servicio que puedan presentar un cierto deterioro. Se analiza la utilización de nano-partículas en concreto en estado endurecido con el fin de mejorar su desempeño y sus aspectos de durabilidad. Por medio del método de migración electroquímica, basado en el transporte de partículas con cierta carga bajo la acción de un campo eléctrico, se favorece la penetración de nano-partículas de sílice hacia el interior de un mortero de cemento Portland desde una cara expuesta a una solución coloidal. Las partículas se mueven por acción del campo eléctrico hacia el ánodo situado en la cara opuesta de la probeta de mortero, dando lugar a una interacción química con la microestructura de la matriz cementante. Se ha observado que las partículas de sílice en esta solución coloidal empiezan a aglomerarse después de cierto periodo de tiempo y solidifican sobre la superficie expuesta de la probeta de mortero. Este material sólido ocasiona que la cantidad de corriente que circula por el circuito disminuya y por consiguiente baje la efectividad del mismo, ya que las partículas con carga eléctrica se mueven con mayor dificultad en medios solidos que en líquidos. Se encontró que la incorporación de nano-partículas de sílice a la matriz de mortero endurecido puede afectar el desempeño de una manera positiva frente a la penetración de cloruros, carbonatación y absorción de agua por capilaridad. De acuerdo a las respuestas eléctricas durante el tratamiento, se encontró que la resistencia eléctrica de las probetas aumenta, lo cual puede relacionarse con la modificación del sistema poroso debido al efecto filler de las nano-partículas; es decir, al refinar los poros, las cargas eléctricas encuentran menos espacio para moverse. Además las nano-partículas afectan químicamente a las fases de la pasta del cemento, ya que se encontró por microscopia electrónica de barrido que a una distancia entre 1.5 y 2 mm, aparecen aglomerados que enriquecen de silicio a las fases de la matriz del mortero y en otros casos, la migración cambia totalmente la apariencia del mortero y ocasiona valores de relaciones Ca/Si muy por debajo de los valores convencionales registrados en la literatura, con lo que es posible pensar que puede existir una actividad puzzolanica.