Nanoestructuras de carbono dopadas y funcionalizadas: Síntesis, caracterización y aplicaciones de esponjas, esferas, listones y fibras complejas

Abstract

"En esta tesis doctoral se presenta la síntesis, caracterización y aplicación de nanoestructuras de carbono de tipo esponja formadas por (1) esferas grafíticas, (2) fibras de carbono, (3) nanotubos de carbono, y (4) estructuras complejas de carbono. Estas estructuras se produjeron usando el método de depósito químico de vapor (CVD, por sus siglas en inglés) con diferentes variantes que incluyen el uso de uno o dos hornos y tubos de cuarzo extra añadidos al sistema CVD convencional. Se estudió el efecto de distintos precursores y las condiciones necesarias para sintetizar cada una de las nanoestructuras, incluyendo el tiempo de síntesis, temperatura, tipos y flujos de gas de arrastre. Las propiedades físicas y químicas fueron estudiadas mediante las técnicas de SEM, TEM, XRD, FTIR, Espectroscopía Raman, XPS y TGA. (1) Los materiales de tipo esponja formados por esferas grafíticas son de gran interés ya que este es el primer reporte donde una estructura tridimensional de tipo esponja es formada únicamente por esferas de carbono haciendo uso del método de CVD. El mecanismo de formación que se propone incluye una posible explicación de la formación de las esferas y como se fusionan para construir estructuras tridimensionales. (2) Las estructuras de tipo esponja formadas por fibras de carbono con morfología irregular y de tipo listón se elaboraron siguiendo la ruta de CVD modificada con dos nebulizadores, lo que dio lugar a la formación de estructuras hibridas compuestas por fibras con hibridación sp2 y sp3. Estas esponjas fueron sometidas a pruebas de detección de compuestos orgánicos volátiles (VOCs, por sus siglas en inglés). Los resultados mostraron que estas estructuras son capaces de detectar acetona en intervalos de concentración entre 1 ppm y 100 ppm en condiciones ambientales (25 °C y 35 % humedad). El análisis por XPS indica que la detección de acetona puede estar relacionada con la interacción entre las moléculas de acetona y los grupos funcionales localizados en la superficie de las esponjas. (3) Siguiendo con la evaluación de estructuras de tipo esponja para ser utilizadas en aplicaciones de detección de VOCs, se realizó el estudio de las propiedades de un sensor elaborado con esponjas producidas por el método de CVD modificado con dos nebulizadores, compuestas por fibras y tubos de carbono dopados con fósforo y nitrógeno. Los resultados demuestran que el sensor elaborado con estas esponjas tiene la capacidad de detectar diferentes VOCs en concentraciones de 30 ppm en condiciones ambientales, mostrando una selectividad orientada al vapor de isopropanol. Se determinó que este comportamiento puede estar generado por la interacción de las especies químicas localizadas en la superficie de las esponjas con grupos CH2 de la molécula de isopropanol. (4) Finalmente, se presenta la síntesis de esponjas de carbono formadas por estructuras complejas grafíticas. La síntesis se llevó a cabo mediante el método de CVD convencional utilizando precursores de fósforo, nitrógeno y boro, variando los flujos de gas Ar/H2 y las temperaturas en un intervalo de 860 a 1050 °C. Los resultados demuestran que es posible producir esponjas empleando estos tres precursores al mismo tiempo en un solo proceso de síntesis. Se demostró que la temperatura afecta el crecimiento y morfología de los materiales que componen a las esponjas, generando nanoestructuras complejas de carbono y nanotubos fusionados."

"The synthesis, characterization, and application of sponge-like carbon nanostructures consisting of (1) graphitic spheres, (2) carbon fibers, (3) carbon nanotubes, and (4) carbon complex structures are presented in this PhD thesis. These structures were produced using the chemical vapor deposition method (CVD) with different variants including the use of one or two furnaces and extra quartz tubes added to the conventional CVD system. The effect of different precursors and the conditions required to synthesize each of the nanostructures were studied, including synthesis time, temperature, types, and carrier gas flows. The physical and chemical properties were studied by SEM, TEM, XRD, FTIR, Raman spectroscopy, XPS, and TGA techniques. (1) Sponge-like materials formed by graphitic spheres are of great interest since this is the first report where a three-dimensional sponge-like structure is formed solely by carbon spheres using the CVD method. The proposed formation mechanism includes a possible explanation of the formation of the spheres and how they fuse to build three-dimensional structures. (2) Sponge-like structures formed by carbon fibers with irregular and ribbon-like morphology were prepared following the modified CVD route with two nebulizers, which resulted in the formation of hybrid structures composed of sp2 and sp3 hybridized fibers. These sponges were tested for volatile organic compounds (VOCs). The results showed that these structures are capable of detecting acetone in concentration ranges between 1 ppm and 100 ppm at ambient conditions (25 °C and 35 % humidity). XPS analysis indicates that acetone detection may be related to the interaction between acetone molecules and functional groups located on the surface of the sponges. (3) Continuing with the evaluation of sponge-type structures to be used in VOC detection applications, a study of the properties of a sensor made with sponges produced by the modified CVD method with two nebulizers, composed of carbon fibers and tubes doped with phosphorus and nitrogen, was carried out. The results show that the sensor elaborated with these sponges can detect different VOCs at concentrations of 30 ppm in ambient conditions, showing a selectivity oriented to isopropanol vapor. It was determined that this behavior may be generated by the interaction of the chemical species located on the surface of the sponges with the CH2 groups of the isopropanol molecule. (4) Finally, the synthesis of carbon sponges formed by graphitic complex structures is presented. The synthesis was carried out by conventional CVD method using phosphorus, nitrogen, and boron precursors, varying Ar/H2 gas fluxes and temperatures in a range from 860 to 1050 °C. The results demonstrate that it is possible to produce sponges employing these three precursors at the same time in a single synthesis process. It was demonstrated that temperature affects the growth and morphology of the materials that compose the sponges, generating complex carbon nanostructures and fused nanotubes."