sÍntesis y caracterizaciÓn electroquÍmica de nanopartÍclas bimetÁlicas agpd soportadas en...

7/25/2019 SNTESIS Y CARACTERIZACIN ELECTROQUMICA DE NANOPARTCLAS BIMETLICAS AGPD SOPORTADAS EN GRAFITO

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Portada

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE QUERTARO

Nombre del proyecto:

SNTESIS Y CARACTERIZACIN ELECTROQUMICA DENANOPARTCLAS BIMETLICAS AGPD SOPORTADAS EN

GRAFITO EXFOLIADO

Empresa:

CENTRO DE FSICA APLICADA Y TECNOLOGA AVANZADA DELA UNAM CAMPUS JURIQUILLA

Memoria que como parte de los requisitos para obtener el ttulo de:

TCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN NANOTECNOLOGAREA MATERIALES

Presenta:

GONZLEZ ARREDONDO KALEB JAIR

Asesor de la UTEQ Asesor de la organizacin

Dr. Ignacio Rojas Rodrguez Dr. Rodrigo Alonso Esparza Muoz

Santiago de Quertaro, Qro. Enero 2016


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Resumen

Las nanopartculas bimetlicas han tenido gran inters en los recientes aos.

Estas nanopartculas (compuestas de dos metales), debido a sus inusuales

propiedades fsicas y qumicas, han mostrado enorme potencial para un gran

nmero de aplicaciones, desde la catlisis hasta componentes electrnicos. La

presencia de un segundo metal en un compuesto bimetlico, es de primordial

importancia dado que modifica las interacciones fsicas y qumicas entre los

tomos y transfiere cambios en su estructura y superficie. La sntesis y

caracterizacin de nanopartculas bimetlicas con un tamao, forma y

composicin controlados, son la clave para el desarrollo de catalizadores

avanzados. En este trabajo se sintetizaron nanopartculas bimetlicas de

Ag@Pd por el mtodo del poliol. Para esto, primero se sintetizaron semillas de

Au (20 mM), las cuales sirven como ncleos para el crecimiento.

Posteriormente se le deposit Ag (50 mM) y al final Pd (50 mM). La sntesis se

realiz a 160 C en un contenedor que regula la temperatura con una variacin

de 1 C. Las soluciones coloidales fueron caracterizadas por medio de

microscopa electrnica de barrido de alta resolucin (SEM) utilizando para esto

el detector de electrones transmitidos (STEM). La caracterizacin

electroqumica fue realizada por medio de voltamperometra cclica, para esto

las nanopartculas bimetlicas fueron soportadas en carbn vulcan con nafin y


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posteriormente se utiliz esta mezcla como el electrodo de referencia en una

celda electroqumica. Las imgenes de microscopa electrnica muestran la

distribucin y el tamao promedio de partcula de 15 nm. Las nanopartculasestn bien distribuidas y no se presenta aglomeracin.

(Palabras claves: Nanopartculas, Ag@Pd, Microscopa, Voltamperometra

cclica)


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Description

This project was done in the Applied Physics and Advanced Technology Center

of UNAM. This researching Center is found in Juriquilla, Quertaro. The

experiments were made in the Synthesis Laboratory of the researching Center,

and PhD. Rodrigo Alonso Esparza Muoz advised us. He is a professor and

active researcher of the Center and he is chief of the Nanotechnology

Department.


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Dedicatorias

A mi familia, que siempre estuvo para m.


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Agradecimientos

Al proyecto DGAPA-PAPIIT IN110113 Estudio de nanopartculas bimetlicas

AuPd, AuPt y PtPd para su aplicacin como electrocatalizadores en celdas de

combustible de intercambio protnico del cual se elabora este proyecto.


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ndice

Contenido

PORTADA ............................................................................................................................................... 1

RESUMEN ............................................................................................................................................... 2

DESCRIPTION .......................................................................................................................................... 4

DEDICATORIAS ....................................................................................................................................... 5

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................................ 6

NDICE .................................................................................................................................................... 7

I. INTRODUCCIN ........................................................................................................................... 10

II. ANTECEDENTES ........................................................................................................................... 12

III. JUSTIFICACIN ............................................................................................................................ 15

IV. OBJETIVOS ................................................................................................................................... 16

IV.I OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................................ 16

IV.II OBJETIVOS ESPECFICOS.................................................................................................................. 16

V. ALCANCE ..................................................................................................................................... 17

VI. ANLISIS DE RIESGOS .................................................................................................................. 18

VI.I IDENTIFICACIN DE RIESGOS ................................................................................................................ 18

VI.II EVALUACIN DE RIESGOS ................................................................................................................ 19

VI.III RESPUESTA A LOS RIESGOS .............................................................................................................. 20

VII. FUNDAMENTACIN TERICA ................................................................................................. 21


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VII.I NANOTECNOLOGA........................................................................................................................ 21

VII.II NANOMATERIALES ........................................................................................................................ 22

VII.ii.i Nanomateriales base carbono ............................................................................................ 22

VII.ii.ii Dendrmeros ........................................................................................................................ 24

VII.ii.iii Compuestos .................................................................................................................... 25

VII.ii.iv Nanomateriales basados en metales ............................................................................. 25

VII.III NANOPARTCULAS BIMETLICAS ....................................................................................................... 25

VII.iii.i Core/Shell ............................................................................................................................ 26

VII.IV CATLISIS .................................................................................................................................... 28

VII.V MTODO DE POLIOL ...................................................................................................................... 28

VII.VI BAO ULTRASNICO...................................................................................................................... 28

VII.VII VOLTAMPEROMETRA CCLICA .......................................................................................................... 29

VII.VIII MICROSCOPA ELECTRNICA DE BARRIDO .......................................................................................... 30

VIII. PLAN DE ACTIVIDADES ............................................................................................................ 31

IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS ......................................................................................... 32

X. DESARROLLO DEL PROYECTO ...................................................................................................... 35

X.I SNTESIS .......................................................................................................................................... 35

X.i.i Preparacin de precursores ................................................................................................ 35

X.i.ii Mtodo de poliol ................................................................................................................. 37

X.i.iii Semilla de Au ....................................................................................................................... 38

X.i.iv Ncleo de Ag ....................................................................................................................... 38

X.i.v Coraza de Pd ....................................................................................................................... 39

X.II CARACTERIZACIN ............................................................................................................................. 39

X.ii.i STEM ................................................................................................................................... 39


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X.ii.ii Voltamperometra cclica .................................................................................................... 40

XI. RESULTADOS OBTENIDOS............................................................................................................ 41

XI.I STEM ............................................................................................................................................. 41

XI.i.i EDS ...................................................................................................................................... 43

XI.II VOLTAMPEROMETRA CCLICA .......................................................................................................... 43

XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 45

XIII. ANEXOS .................................................................................................................................. 46

XIV. BIBLIOGRAFA ......................................................................................................................... 47


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I. Introduccin

En las ltimas dcadas, se han visto con ms severidad las consecuencias

arraigadas al cambio climtico que hemos provocado. Sequas, inundaciones,

huracanes, etc. Todo por nuestro inmesurado consumo de hidrocarburos como

la gasolina y el disel. Gracias a esto, y a que los hidrocarburos es una fuente

de energa no renovable, nos vemos ante la necesidad de encontrar nuevas

fuentes y/o de optimizar las conocidas, para as remplazar los combustibles de

la actualidad por unos que no representen una amenaza para el medioambiente

y que podamos usar ilimitadamente.

En la actualidad existe una gran cantidad de personas abogando por mejorar

las condiciones del planeta, por reducir emisiones tanto de vehculos como de

fbricas. La industria automovilstica cada vez est ms en la mira de las

personas y de las organizaciones regulatorias. Esto repercute en la elevacin

de los estndares de fabricacin, de seguridad y de emisiones.

Las emisiones de los automviles dependen de varios factores, como el

mantenimiento que se le d, la calidad del combustible y aceites utilizados, la

condicin en que se encuentra el motor, etc. Pero uno de los ms importantes

es el catalizador. ste se encarga de dos procesos, la reduccin y la oxidacin

cataltica. Su propsito es reducir lo ms posible la salida de hidrocarburos,


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monxido de carbono y xidos de nitrgeno, transformndolos en dixido de

carbono, nitrgeno, oxgeno y vapor de agua.


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II. Antecedentes

En aos recientes se han hecho numerosas investigaciones en el rea de

sntesis y caracterizacin de nanopartculas metlicas, ya que stas presentan

propiedades elctricas, pticas y qumicas que no se observan en molculas

solas ni en sus macro-estructuras. Un ejemplo claro es la presencia de una

fuerte banda de absorcin en el espectro visible. La presencia de un segundo

metal es de gran relevancia dado a que modifica las propiedades fsicas y

qumicas de los tomos, as como tambin crea cambios en su superficie y

estructura.1

Las nanopartculas metlicas de Pd han sido utilizadas en varias

investigaciones como catalizadores, considerando que sus propiedades

catalticas se ven afectadas por su morfologa y su tamao, pero recientemente

se ha agregado una nueva variable: un segundo elemento metlico, dando paso

a una nueva red de posibilidades para lograr las propiedades deseadas.

Este proyecto se inicia en el Centro de Fsica Aplicada y Tecnologa Avanzada

de la UNAM campus Juriquilla, con el objetivo de sintetizar nanopartculas tipo

ncleo-coraza (core/shell) de Ag@Pd para sustituir a elementos como el Platino

en el proceso de catlisis en las celdas de combustible de intercambio

1(Science Daily, 2011)


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protnico, para bajar los costos y tener un mejor rendimiento general del

catalizador.

El Centro de Fsica Aplicada y Tecnologa Avanzada de la UNAM (CFATA), es

un Centro de investigacin que se caracteriza por un enfoque multi e

interdisciplinario cuyo eje es la Fsica y su objetivo las aplicaciones

tecnolgicas.

Este Centro de investigacin, ubicado en el Campus Juriquilla, se ha planteado

los objetivossiguientes:

1. Realizar investigacin cientfica y aplicada de alto nivel en el rea de

las aplicaciones tecnolgicas de la Fsica,

2. Formar cientficos y tecnlogos,

3. Conducir desarrollos tecnolgicos originales y de utilidad para la

sociedad,

4. Realizar labores de difusin de la ciencia y la cultura

El CFATA imparte dos Programas Acadmicos, el Posgrado en Ciencia e

Ingeniera de Materiales, perteneciente al padrn del CONACYT y la

Licenciatura en Tecnologa, de reciente creacin y con un enfoque novedoso.

La vinculacin con los sectores pblico y privado as como con la industria

nacional es importante para el Centro y se lleva a cabo mediante proyectos

conjuntos, servicios analticos y cursos de actualizacin y capacitacin.


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Sus acadmicos participan en programas de difusin de la Ciencia, que son

organizados internamente o por instancias del Gobierno del Estado de

Quertaro.2

2(Centro de Fsica Aplicada y Tecnologa Avanzada, s.f.)


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III. Justificacin

Esta investigacin se realiza para bajar los costos en los catalizadores

utilizados en las celdas de combustin de intercambio protnico, as como para

sustituir a elementos como el platino, debido a su alto costo y a que se va

envenenando lentamente en el proceso de catlisis, y tras un cierto nmero de

ciclos deja de ser funcional en el proceso.

Este trabajo ayudar al avance en la bsqueda de un material que pueda

sustituir satisfactoriamente al catalizador ya mencionado (Pt). Con esto, una

gran cantidad de personas podran ser beneficiadas, ya que esto se empleara

en cualquier vehculo impulsado por un motor de combustible, ya sea nuevo o

usado.3

3(Soto, 2011)


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IV. Objetivos

IV.i Objetivo general

Sintetizar nanopartculas bimetlicas tipo ncleo-coraza (core/shell) de Ag@Pd

por el mtodo del poliol, as como soportarlas en grafito exfoliado, para su

posible aplicacin como catalizadores.

IV.ii Objetivos especficos

Sintetizar nanopartculas bimetlicas con estructura tipo ncleo-coraza

(core/shell).

Sintetizar grafito exfoliado a partir de barras de grafito.

Controlar morfologa, tamao, estructura y composicin de las

nanopartculas.

Caracterizar las partculas obtenidas por Microscopa Electrnica de

Barrido (SEM) con el detector de electrones transmitidos (STEM).

Analizar su composicin por medio de la tcnica de Espectroscopa de

Energa Dispersiva (EDS).

Hacer mediciones de su capacidad cataltica mediante

voltamperometras cclicas (CV).


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V. Alcance

Sintetizar, soportar en grafito exfoliado, y caracterizar nanopartculas

bimetlicas de Ag@Pd por STEM y electroqumicamente, para su posible

aplicacin en celdas de combustible.


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VI. Anlisis de riesgos

Los riesgos son eventos o condiciones inciertas que, si se producen, tienen unefecto positivo o negativo sobre al menos un objetivo del proyecto, como

tiempo, coste, alcance o incluso la calidad.4

VI.i Identificacin de riesgos

1. El equipo necesario para la sntesis y la caracterizacin es de un

nmero limitado, por lo que puede que no siempre est disponible para

su uso, y eso impone un riesgo para el seguimiento correcto de la

cronologa.

2. El presupuesto necesario para la adquisicin de los reactivos necesarios

puede que no sea suficiente, pudiendo retrasar o incluso cancelar el

proyecto.

3. En el aspecto humano, siempre hay una cierta incertidumbre, porque no

es cierto si siempre se estar en una buena condicin de salud, lo que

podra retrasar el orden cronolgico de las actividades segn lo

planeado.

4. Las actividades que se realicen en el Centro de investigacin son

directamente dependientes de la disponibilidad del Dr. Rodrigo Alonso

4(Arturoweb, s.f.)


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Esparza Muoz, asesor externo de este proyecto, lo que deja en sus

manos el avance de este proyecto.

5. La cantidad de actividades por hacer es considerable, por lo que si losriegos anteriores llegaran a ocurrir, eso dara lugar a la posibilidad de no

concluir con todas las actividades establecidas en el tiempo dado.

VI.ii Evaluacin de riesgos

1. Este riesgo de disponibilidad de los equipos tiene un impacto de nivel

medio, debido a que no es tan probable que el equipo est siendo

utilizado al mismo momento en que se necesite.

2. Este segundo riesgo de presupuesto, tiene un impacto alto, debido a que

si no se cuenta con el capital necesario, no ser posible empezar y/o

seguir con el proyecto.

3. Este es un riesgo de impacto bajo, ya que es muy poco probable de que

suceda una situacin que incapacite a el recurso humano, impidiendo as

que contine con las actividades.

4. La disponibilidad del asesor externo es de impacto medio, debido a que

la mayora del tiempo se encuentra en el Centro de investigacin, pero

aun as, debido a su cargo, puede que no siga su rutina debido a eventos

inesperados.


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5. Este ltimo riesgo es de un impacto alto, ya que suma la posibilidad de

los anteriores, dejando as un mayor porcentaje de probabilidad de que

suceda algn imprevisto, retrasando lo suficiente las actividades comopara no concluirlas en el tiempo destinado para ello.

VI.iiiRespuesta a los riesgos

1. La respuesta a la no disponibilidad de los equipos sera de aceptacin, y

de tratar de mitigarla, pidiendo a las personas que estn haciendo uso

del equipo, una optimizacin en el tiempo de su empleo.

2. El riesgo de no tener el presupuesto necesario, tendra como respuesta

el aceptarlo, y mitigarlobuscando el capital ya sea del bolsillo propio, o

buscando patrocinadores.

3. Mitigar sera la respuesta al evento de una incapacidad en el aspecto

humano, siguiendo un tratamiento para mejorar la salud del afectado.

4. Si el asesor externo no tiene la disponibilidad deseada, aceptarlo sera

la respuesta al problema.

5. Si este posible evento se trata de evitar, debido a que, por su alto

impacto, afectara demasiado al resultado final.


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VII. Fundamentacin terica

VII.i Nanotecnologa

En los ltimos aos la nanotecnologa se ha convertido en uno de los campos

ms importantes y destacados en el rea de la fsica, biologa, qumica e

ingeniera, debido a sus inmensas posibles aplicaciones, pudiendo ser el

impulso para la siguiente revolucin tecnolgica.5

De acuerdo con Salomone, Mnica G. (2007): La nanotecnologa es el control

de la materia a escalas de entre 1 y 100 nanmetros (millonsimas de

milmetro) e implica la fabricacin de estructuras tan pequeas como molculas,

invisibles al ojo humano6 Estas nanoestructuras son las que le confieren al

material, propiedades que no se aprecian en sus macroestructuras. Dando un

ejemplo, el oro tal y como lo conocemos (macroestructura) tiene un color

amarillento, pero las nanopartculas de

oro varan su color dependiendo de su

tamao en rangos nanomtricos, como

se puede apreciar en la Ilustracin 7.17.

5(Poole Jr. & Owens, 2003)6(Salomone, 2007)7(Sigma-Aldrich Corporation, s.f.)

Ilustracin VII.1 Color de nanopartculas de orode varios tamaos.


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VII.iiNanomateriales

Los nanomateriales son aquellos que tengan por lo menos una de sus

dimensiones en escala nanomtrica, es decir, entre 1 y 100 nanmetros. Estos

son utilizados actualmente en ms de 3,000 productos en el mercado, como

pastas de dientes, maquillaje, pinturas y ropa de vestir.8

La Agencia del Medio Ambiente (EPA) de EUA ha clasificado los

nanomateriales en cuatro tipos:

VII.ii.i Nanomateriales base carbono

Estos nanomateriales estn compuestos en su mayora por carbono,

definindose en varias estructuras que le confieren propiedades nicas. Los

ejemplos ms relevantes son:

Nanotubos: tienen forma cilndrica y pueden ser de capa simple o

multicapa. Tienen muchas aplicaciones como en la electrnica,

recubrimientos, y materiales compuestos y avanzados.

Fullerenos: Son de estructura esfrica o elipsoidal, y tienen campos de

aplicacin como la optoelectrnica, medicina, entre otros.

Grafeno: Este nanomaterial se caracteriza por ser una lmina de

carbono de 1 tomo de espesor. Podra ser empleado en un futuro en la

8(Del Castillo Rodrguez, 2012)


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aeronutica y en dispositivos electrnico; podra llegar a sustituir al silicio

como material principal de stos.

En la Ilustracin 7.29se pueden observar algunos de los nanomateriales base

carbono.

9(Lidia con la Qumica (Y la Fsica), 2015)

Ilustracin VII.2 Algunos nanomateriales base carbono


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VII.ii.ii Dendrmeros

Estos nanomateriales son polmeros de una escala nanomtrica, se constituyen

por ramificaciones y contienen, por tanto, numerosos extremos de cadena quese pueden funcionalizar para desempear tareas especficas. Los dendrmeros

tridimensionales contienen cavidades en los que se podran depositar otras

molculas, haciendo a los dendrmeros un tipo de material muy utilizado en el

campo de la medicina, principalmente en la deliberacin de frmacos a zonas

focalizadas. En la Ilustracin 7.310se observa un dendrmero a base de Si, S y

O.

10(Espaa Patente n WO2014016460 A1, 2014)Ilustracin VII.3 Dendrmero a base de Si, S y O.


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VII.ii.iii Compuestos

Los compuestos combinan un nanomaterial con otro nanomaterial o con un

material con un mayor tamao. Por ejemplo, una pintura que contengananotubos como aditivo. Esto sirve para conferir a un material con nueva o

mejoradas propiedades.

VII.ii.iv Nanomateriales basados en metales

Esta seccin incluye puntos cunticos, coloides de metales, nanopolvos, etc.Las nanopartculas de Ag@Pd sintetizadas en este proyecto estn dentro de

esta categora, siendo de una seccin especial por su estructura ncleo/coraza,

o core/shell en ingls.

VII.iii Nanopartculas bimetlicas

Las nanopartculas bimetlicas han tenido gran inters en los recientes aos.

Estas nanopartculas (compuestas de dos metales), debido a sus inusuales

propiedades fsicas y qumicas, han mostrado enorme potencial para un gran

nmero de aplicaciones, desde la catlisis hasta componentes electrnicos. Lapresencia de un segundo metal en un compuesto bimetlico, es de primordial

importancia dado que modifica las interacciones fsicas y qumicas entre los


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tomos y transfiere cambios en su estructura y superficie. La sntesis y

caracterizacin de nanopartculas bimetlicas con un tamao, forma y

composicin controlados, son la clave para el desarrollo de catalizadoresavanzados.

VII.iii.i Core/Shell

Las nanopartculas tipo core-shell, o ncleo-coraza en espaol, son una clase

de material nanoestructurado que recientemente ha generado un incremento deinters debido a sus interesantes propiedades y un gran rango de aplicaciones

en catlisis, biologa, materiales, qumica y sensores. Combinando

racionalmente elementos, se puede crear una variedad de nanopartculas con

Ilustracin VII.4 Estructura caracterstica de nanopartculas core-shell


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las propiedades necesarias que pueden ser de gran importancia en procesos

catalticos.11La ilustracin 7.412demuestra la estructura tpica tipo core-shell.

11(Manoj B., y otros, 2015)12(R. F. L., 2013)


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VII.iv Catlisis

La catlisis es la reaccin qumica causada por un catalizador. Un catalizador

es un qumico que acta en pro de una reaccin qumica que causan otros

elementos en su ambiente, porque los junta fsicamente de tal manera que su

probabilidad de reaccionar es maximizada. Sin embargo, un catalizador no

puede provocar la reaccin entre dos entidades si stas no son reactivas entre

s, por lo tanto, se puede decir que un catalizador acelera las reacciones

qumicas.13

VII.vMtodo de poliol

Es la sntesis de compuestos metlicos en etilenglicol. El etilenglicol acta tanto

como solvente, as como agente reductor.14

VII.vi Bao ultrasnico

Consiste en la aplicacin de ultrasonidos a una solucin. La fuente de

ultrasonido ms ampliamente disponible y utilizada es sin duda el bao

ultrasnico. En este, el componente electromecnico (piezoelctrico) est fijo en

la base de un contenedor lleno de agua. stos trabajan con una frecuencia

13(McDonald, 1999)14(Royal Society of Chemistry, s.f.)


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entre los 30 y 50 kHz.15Este sistema genera intensas ondas ultrasnicas en el

medio lquido, que forman millones de microburbujas que se expanden y

colapsan contra las molculas y/o aglomeraciones; este fenmeno se llamacavitacin.

VII.vii Voltamperometra cclica

Esta tcnica es de una gran importancia en el rea de la electroqumica,

principalmente en los estudios de procesos redox, mecanismos de reaccin,

propiedades electrocatalticas, etc. Esto gracias que se puede obtener un

conjunto importante de informacin mediante ensayos relativamente sencillos.

Esta tcnica es basada en someter al electrodo de trabajo a un barrido de

potencial en el sentido tanto directo como en el inverso, realizando lo que se

conoce como barrido triangular

de potencial, como se muestra

en la Grfica 7.1.16 Este

programa de potencial se inicia

en un valor inicial Ei hasta un

valor de corte denominado Ef.16

15(Grupo GIDOLQUIM, 2014)16(Vzquez, s.f.)

Grfica VII.1 Ejemplo de grfica devoltamperometra cclica


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VII.viii Microscopa electrnica de barrido

El microscopio electrnico de barrido (SEM por sus siglas en ingls) usa un haz

focalizado de electrones de alta energa para barrer la superficie de una

muestra slida. Las seales generadas por los electrones secundarios y

retrodispersados, revelan informacin acerca de la muestra, incluyendo la

morfologa (textura), composicin qumica, distribucin de fases. El SEM

tambin es capaz de hacer anlisis de locaciones puntuales en la muestra. Este

anlisis es especialmente til determinando cualitativamente o semi-

cuantitativamente la composicin (usando el espectrmetro de EDS), estructura

cristalina, y orientacin del cristal (usando difraccin de electrones por

retrodispersin, EBSD).17

El microscopio electrnico utilizado en este proyecto tiene integrado un mdulo

de electrones transmitidos, hacindolo un Scanning Transmission Electron

Microscope (STEM). Este microscopio combina los principios del microscopio

electrnico de transmisin (TEM) y del SEM. As como en el TEM, el STEM

necesita de muestras delgadas, y se enfoca primordialmente a los electrones

transmitidos por la muestra. La ventaja que tiene este tipo de microscopa sobre

el TEM es que puede usar otras seales que no pueden ser detectadas por este

ltimo debido a razones espaciales, incluyendo: electrones secundarios,

difraccin de electrones, rayos x caractersticos y espectroscopa de prdida de

energa electrnica.17

17(Swapp, s.f.)


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VIII. Plan de actividades

Tabla VII.1 Plan de actividades


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IX. Recursos materiales y humanos

Parrilla de calentamiento con agitacin magntica: Se utiliz para

desarrollar efectivamente el mtodo del poliol, utilizando tanto como su

funcin de fuente de calor, tanto como la de agitacin magntica.

Reactor termo-aislado: Se utiliz para no perder tanto calor durante la

sntesis y mantener la temperatura constante durante la misma.

Termmetro digital: Fue necesario para saber exactamente qutemperatura resida dentro del reactor.

Agitadores magnticos: Utilizados para una distribucin lo ms

homognea posible tanto del calor como de los precursores.

Balanza analtica: Se emple para pesar con buena exactitud las sales que

fueron usadas como precursores.

Campana extractora: Todo el proceso de sntesis fue realizado dentro de

una campana de extraccin, para prevenir lesiones en el capital humano si

caa agua en el contenedor lleno de aceite de silicn caliente.

Equipo de bao ultrasnico: Se utiliz tanto como para romper las

aglomeraciones de las partculas para poderlas preparar en rejillas, tanto

como para exfoliar el grafito.

Centrifugadora: Se us para separar la fase slida de la lquida en las

soluciones con las partculas, para as poder limpiarlas de las impurezas.


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Cristalera: Esta fue utilizada en mayor parte durante el proceso de la

sntesis, ya que se necesitaba:

1. Matraces de 3 bocas.2. Condensador Liebig (Recto) con 2 Juntas.

3. Viales para depositar el producto final.

4. Pipetas graduadas.

5. Vasos de precipitados.

Reactivos: Indispensables para llevar a cabo la sntesis. Se utilizaron los

siguientes reactivos:

1. Nitrato de plata (AgNO3)

2. cido tetraclorourico(III) trihidrato (HAuCl4 3H2O)

3. Tetracloropaladato de potasio (K2PdCl4)

4. Polivinilpirrolidona (PVP)

5. Etilenglicol (C2H6O2)6. Agua desionizada (H2O)

SEM: Se utiliz el Microscopio Electrnico de Barrido (SEM) HITACHI SU-

8230 que tiene incorporado un mdulo de electrones transmitidos para

caracterizar las nanopartculas antes y despus de ser soportadas en grafito

exfoliado.

Rejillas: Se utilizaron rejillas de cobre de 3mm de dimetro con un

recubrimiento nanomtrico de cobre donde se montaron todas las muestras

para poder caracterizarlas por SEM.


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Electrodos: El electrodo de trabajo en este proyecto fue de carbn vtreo

(conductor); el contraelectrodo est hecho de grafito y tambin se utiliz un

electrodo de referencia.

Nafin lquido:Utilizado para la creacin de las tintas electroqumicas.

Potensiostato-galvanostato: VSP marca Biologic, dispositivo usado para

proporcionar a los electrodos con un potencial elctrico.

Laboratorista: Contamos con el apoyo de un laboratorista para el uso

correcto del laboratorio cumpliendo con las normas establecidas.

TSU en nanotecnologa: Este proyecto fue realizado por su servidor Kaleb

Gonzlez A.


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X. Desarrollo del proyecto

X.i Sntesis

X.i.i Preparacin de precursores

Para la sntesis de las semillas de Au, se utiliz cido tetraclorourico trihidrato

(HAuCl4 3H2O) diluido en etilenglicol. Dicha solucin ya se haba preparado

antes de empezar este proyecto, pero la concentracin no era la que se

necesitaba. La solucin estaba preparada a una concentracin

de 50 mM, sin embargo se necesitaba la misma solucin a 20

mM, y lo que se hizo fue diluir la solucin usando la Ecuacin

10.1.

Ecuacin X.1 Frmula para calcular la concentracin molar

=

Donde:

M = Concentracin molar

n = Nmero de moles de soluto

L = Litros de solvente

Para lograr la concentracin deseada, se tomaron 5 mL de la solucin a 50 mM,

y se le agregaron 7.5 mL de etilenglicol, llegando a un volumen final de 12.5

mL, teniendo ya una concentracin de 20 mM.

Ilustracin X.1Precursor deHAuCl4 3H2O enetilenglicol


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Para la formacin del ncleo de Ag se utiliz un precursor hecho con nitrato de

plata (AgNO3) y etilenglicol a una concentracin de 50 mM. Para su preparacin

se pesaron 0.0884 g de AgNO3en una balanza analtica, y se agregaron 10 mLdel solvente. Para calcular la cantidad necesaria de soluto a

pesar se utiliz la Ecuacin 10.1y la Ecuacin 10.2.

Ecuacin X.2 Frmula para calcular el nmero de moles

= ..

Donde:

n = Nmero de moles

m = Masa

P.M. = Peso molecular.

Para hacer la coraza, se emple un precursor de Pd hecho con

Tetracloropaladato de potasio (K2PdCl4) diluido en etilenglicol a

una concentracin de 50 mM. Este precursor tambin ya estaba

preparado, pero a una concentracin de 62.5 mM y se diluy de la

misma manera que la solucin de HAuCl4 3H2O, utilizando la

Ecuacin 10.1.

Ilustracin X.2Precursor de

AgNO3 enetilenglicol

Ilustracin X.3Precursor deK2PdCl4 enetilenglicol


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37

X.i.ii Mtodo de poliol

Para llevar a cabo la sntesis por este mtodo, se arm el arreglo mostrado en

la Ilustracin 10.4, donde podemos ver un condensador conectado a dosmangueras, que del otro extremo, una est conectada a una pequea bomba

de pecera y la otra slo est sobrepuesta para la salida del lquido. Conectado a

la parte inferior del condensador, est un matraz de 3 bocas, donde se

depositaban los reactivos. Este matraz est sumergido en aceite de silicn

hasta cubrir la mitad de la parte esfrica. Tambin se puede ver que tiene

adaptado un termmetro digital. Ntese que toda la sntesis fue realizada dentro

de una campana de extraccin.

Ilustracin X.4 Arreglo utilizado para la sntesis


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El proceso de sntesis consiste en:

1. Depositar 10 mL de etilenglicol y un agitador magntico dentro del

matraz.

2. Sumergir el matraz ya acoplado con el condensador dentro del aceite de

silicn.

3. Calentar el bao de aceite hasta llegar a una temperatura de 160C.

4. Agregar el precursor y el PVP en 10 alcuotas por cada solucin cada 2.5

min.

5. Al terminar de agregar las alcuotas, esperar de 30 a 60 min sin remover

la fuente de calor.

X.i.iii Semilla de Au

La semilla de Au fue creada siguiendo los pasos anteriores. La relacin de PVP

respecto al precursor es de 2:1, siendo depositados 4 mL de PVP y 2 mL de

precursor de Au en 10 alcuotas cada uno.

X.i.iv Ncleo de Ag

Fue creado siguiendo los mismos pasos que en la sntesis de las semillas, con

la diferencia de que se agreg 1 mL de la solucin con las semillas al momento

de depositar el etilenglicol dentro del matraz. La relacin PVP : precursor fue la


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misma, sin embargo, en este paso slo se usaron 2 mL de PVP y 1 mL de

precursor de Ag.

X.i.v Coraza de Pd

En este paso no se agreg etilenglicol, en cambio se agregaron 8 mL de la

solucin anterior. Tambin se agreg 1 mL de precursor de Pd ms 2 mL de

PVP en 10 alcuotas alternadas.

X.ii Caracterizacin

X.ii.i STEM

La caracterizacin fue realizada con un microscopio electrnico de barrido con

mdulo de electrones transmitidos, es de la marca HITACHI y modelo SU-8230.

Para poder observar las muestras en el microscopio, fue necesario montarlas

en rejillas de cobre de 3 mm de dimetro. Para esto, se tomaron 200 L de la

muestra a analizar y fueron depositados en un vial de 2 mL. Se afor a del

contenedor con alcohol isoproplico, y de la solucin restante, con un tubo

capilar de vidrio, se tom lo suficiente para poder aplicar una gota de la misma

sobre una rejilla. La gota necesitaba evaporarse antes de guardar la rejilla, esto

para evitar contaminacin en el microscopio.


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X.ii.ii Voltamperometra cclica

Para el anlisis de las nanopartculas por voltamperometra cclica, primero se

soportaron en carbn vulcan. Despus se tienen que realizar tintasdependiendo si el medio es cido o alcalino. Si el medio es cido, para 1 mg de

partculas soportadas en carbn Vulcan, se agregan 75 L de alcohol

isoproplico y 15 L de Nafin lquido (5%). Despus se deja en bao de

ultrasonido durante 20 minutos para obtener una solucin homognea. Si el

medio es alcalino, para 1 mg de partculas soportadas en carbn Vulcan, se

agregan 75 L de alcohol isoproplico y 7 L de Nafin lquido (5%).

Igualmente, se deja en bao de ultrasonido durante 20 minutos.

Para depositar el material, la tinta se carg gota a gota (2 L aproximadamente)

en la superficie del carbn vtreo, esperando a que se secara entre cada

aplicacin.

Todo este proceso de voltamperometra cclica fue realizado por el Ing. Alan

Santovea.


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XI. Resultados obtenidos

En este captulo se muestra la caracterizacin del sistema Au-Ag@Pd por el

mtodo del poliol.

XI.i STEM

Una parte muy importante de la caracterizacin fue hecha por microscopa

electrnica de barrido con el detector de electrones transmitidos (STEM), por la

cual obtuvimos imgenes que nos ayudaron a obtener el tamao de partcula

promedio, as como su distribucin de tamaos. En la Ilustracin 11.1 se

muestran partculas las partculas de Au-Ag@Pd, donde se puede observar una

cierta homogeneidad y no se presentan aglomeraciones considerables.

Ilustracin XI.1 Imgenes de STEM de Au Ag@Pd


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La Grfica 11.1 se muestra la distribucin de los tamaos de partculas

obtenidas, donde se puede ver que el tamao promedio de partcula es de 7.5

nm.

En la Ilustracin 11.2 se muestra una imagen tomada con el mismo detector

(STEM) donde se observan las partculas de Au-Ag@Pd adheridas al grafito

exfoliado. La morfologa de grafito tiene una estructura tipo rodillo, y se llega a

ver que la estructura es hueca.

Ilustracin XI.2 Imgenes de STEM de partculas de Au Ag@Pd soportadas en grafitoexfoliado

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

0

5

10

15

20

25

30

35

Frequency(%)

Particle size (nm)

7.52 0.137S

A nm

Grfica XI.1 Histograma de la distribucin del tamao de partcula


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XI.i.i EDS

La tcnica de Espectroscopa de Energa Dispersiva (EDS) fue realizada de

igual manera en el SEM, mediante el detector de EDS instalado en el mismo.En la Ilustracin 11.2 se muestra un anlisis qumico por medio de esta

tcnica. Se puede observar que el Pd se encuentra mayormente en la parte

exterior de la partcula, simulando la coraza, y la Ag se encuentra distribuda en

el ncleo de la estructura.

XI.ii Voltamperometra cclica

En la Grfica 11.2 se puede observar el comportamiento de las partculas. Se

puede ver claramente que los picos catdico y andico son muy pronunciados,

indicando que pueden ser muy buenos materiales catalizadores.

Ilustracin XI.3 Imgenes de EDS de partcula de Au Ag@Pd


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El rea de la Superficie Electroqumicamente Activa (EASA) de las partculas

en el pico catdico fue de 0.135 cm2, y 0.110 cm2para el pico andico.

Ewe /V vs. SCE

10-1

/mA

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

-1.2

Au-Ag@Pd (PVP)

Grfica XI.2 Voltagrama de partculas Au Ag@Pd


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XII. Conclusiones y recomendaciones

A continuacin se exhiben las conclusiones de los resultados obtenidos de la

caracterizacin de las nanopartculas core/shell de Au-Ag@Pd soportadas en

grafito exfoliado.

El objetivo de este proyecto era sintetizar satisfactoriamente una estructura

core/shell de Au-Ag@Pd y soportarlas en grafito exfoliado, as como

caracterizarlas, para poder decir si el material es buen candidato para ser

utilizado como catalizador en celdas de combustin de intercambio protnico.

Los resultados obtenidos nos dicen que satisfactoriamente se obtuvieron

nanopartculas tipo core/shell, con una buena distribucin de tamaos de

partcula y que no se presentan aglomeraciones. Tambin es posible ver que

estn correctamente soportadas en el grafito exfoliado. Gracias a los

voltagramas podemos ver que las partculas tienen un buen desempeo y un

gran potencial de ser utilizadas, como se esperaba, como catalizadores.

Como recomendaciones para cualquiera que vaya a trabajar en esta rea, sera

que cuidara mucho el proceso de sntesis, que le d su importancia a los

tiempos de aplicacin de las alcuotas, y que tambin sea muy cuidadoso con

sus muestras, as como el uso de los equipos de seguridad (bata, guantes,

cuidado con los reactivos) para reducir al mximo las contaminaciones.


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XIII. Anexos

Ilustracin XIII.1 Clula de trabajo


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