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.

Fabricación y caracterización de películas delgadas de óxidos transparentes con aplicaciones ópticas.

Los óxidos transparentes conductores (TCO′ s) son materiales compuestos conformados por oxígeno y un metal, que presentan una combinación única de alta estabilidad química, alta concentración electrónica y alta transparencia óptica. Por esta razón, el procesamiento de TCO′ s en película delgada va orientado hacia aplicaciones específicas tales como ventanas ópticas en celdas solares, sensores de gases, electrodos en dispositivos de pantallas planas, ventanas inteligentes. En este proyecto se trabajó en la síntesis experimental de dos TCO′ s relevantes tanto en investigación fundamental como en aplicaciones tecnológicas: el óxido de indio (In2O3) y el óxido de estaño (SnO2). Ambos TCO′ s se depositaron por la técnica de erosión iónica reactiva por corriente directa (DC). Para el análisis de las películas se utilizaron varias técnicas de caracterización: difracción de rayos X, espectroscopia UV-Visible, resistividad eléctrica, efecto Hall, así como microscopías electrónica de barrido y de fuerza atómica. Se fabricó también una bicapa de In2O3/SnO2, la cual se caracterizó además con espectroscopia de fotoemisión de rayos X (XPS).En esta tesis se reporta por primera vez la síntesis y caracterización de esta bicapa, la cual abre una línea de investigación en el área de interfaces. Asimismo, se desarrolló e implementó un procedimiento, basado en los modelos ópticos, tal que permite obtener parámetros que se utilizan para evaluar a cualquier película delgada TCO como potencial metamaterial. Las propiedades de las muestras se analizaron en función de la temperatura aplicada post-depósito: temperatura ambiente (TA), 100oC, 200oC, 300oC, bajo una atmósfera de argón o argón-oxígeno. Los resultados confirman que las películas presentan un crecimiento de tipo poli cristalino. Además, la calidad cristalina tiende a incrementarse como función del incremento de la temperatura. El In2O3 creció con estructura cúbica bcc (a=10.11 ˚A, ICDD #71-2195). A partir de 200C, se detectaron trazas de la fase romboédrica (a=5.490 ˚A, c=14.520 ˚A, ICDD #73-1809). Asimismo, el SnO2 creció con estructura tetragonal (a = 4.737 ˚A, c = 3.186 ˚A, ICDD #88-0287). Las películas de In2O3 poseen una transparencia promedio del 90 % en una ventana de 500 nm a 1100 nm. El borde de absorción se recorre al azul como función de la temperatura, de Eg=3.3 eV a Eg=3.7 eV por el efecto Burstein-Moss. Por otra parte, la bicapa presentó una interfaz claramente definida, sin difusión de especies metálicas. Al incrementarse la temperatura, de TA a 400oC, se detectaron dos fases de óxido de estaño: SnO2 y SnO, en un porcentaje atómico de ≈70 %:30 %, respectivamente. Se concluye que los parámetros y valores obtenidos de las películas como son el texturizado y espesor homogéneo, alta transparencia, crecimiento preferencial, ancho prohibido y resistividad eléctrica, son comparables a los que se requieren del In2O3 y SnO2 en película delgada para aplicaciones optoelectrónicas.

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.