Treatments and Analysis of C-sp(2) nanomaterials
[cat] El carboni es pot trobar en molts tipus de configuracions, cadascun amb les seves pròpies propietats. La majoria d’aquestes configuracions tenen com a component base el grafé, que curiosament va ser isolat per primera vegada al 2004 per A.K. Geim i K. Novoselov. Per exemple, els nanotubs i nan...
| Autor: | |
|---|---|
| Formato: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2014 |
| País: | España |
| Recursos: | Universidad de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de la UB |
| OAI Identifier: | oai:diposit.ub.edu:2445/54569 |
| Acesso em linha: | https://hdl.handle.net/2445/54569 http://hdl.handle.net/10803/134825 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palavra-chave: | Electrònica Materials nanoestructurats Grafè Electronics Nanostructured materials Graphene |
| Resumo: | [cat] El carboni es pot trobar en molts tipus de configuracions, cadascun amb les seves pròpies propietats. La majoria d’aquestes configuracions tenen com a component base el grafé, que curiosament va ser isolat per primera vegada al 2004 per A.K. Geim i K. Novoselov. Per exemple, els nanotubs i nanofibres de carboni o el propi grafit son exemples de diferents configuracions d’aquestes capes de grafé. Les propietats i aplicacions de cada nanomaterial varia segons aquesta configuració. Per exemple, la relació d’aspecte dels nanotubs/nanofibres de carboni és ideal per crear materials compostos mitjançant polímers fent servir una càrrega mínima, obtenint nous materials amb millors propietats mecàniques, elèctriques o tèrmiques. Per una altre banda, el grafé pot ser molt interessant per la fabricació de capes protectores o elèctrodes transparents. Les nanofibres de carboni son una nanoestructura interessant per aplicacions en sensors de gas. Es ben sabut que les superfícies de carboni sp2 pur son inerts a causa de la naturalesa d’aquest enllaç. És per aquesta raó que els nanotubs de carboni purs necessiten un tractament superficial per generar defectes sobre la seva superfície i així crear centres d’adsorció per les molècules presents a l’ambient. Per una altre banda, les nanofibres de carboni, a causa de la seva estructura, tenen més enllaços sp3 exposats a l’atmosfera que facilita l’adsorció de les molècules. A més a més aquesta propietat permet a les nanofibres de carboni ser estable en solvents polars, facilitant la seva manipulació. En aquest treball s’han estudiat dos tipus de nanofibres de carboni: les obtingudes directament del procés de síntesis (CNF) i les nanofibres de carboni gratificades (CNFG), que son nanofibres tractades en un procés d’alta temperatura amb l’objectiu d’eliminar totes les impureses i reordenar l’estructura cristal•lina. El paper crític de la superfície de les nanofibres de carboni en les propietats del sensor de gas justifica les propietats químiques de la superfície. Per fer-ho, les nanofibres han estat estudiades fent servir la tècnica de Espectroscòpia de Fotoelectrons emesos per raigs X (XPS) per obtenir informació de la composició química de la seva superfície. S’ha descobert que el procés de grafitització elimina totes les impureses de la superfície deixant únicament carboni i oxigen. Aquest últim element és una troballa sorprenent ja que, tot i que la quantitat d’oxigen present és baixa (1%), això vol dir que tot i el procés de grafitització encara hi ha alguns grups funcionals que sobreviuen al tractament amb altes temperatures i atmosfera reductora. Bàsicament, els grups funcionals supervivents son àtoms d’oxigen enllaçats amb un enllaç o hidroxils, mentre que els grups carbonils son els que pateixen més reducció durant el tractament. Per fabricar el sensor de gas es necessari de trobar una forma de manipular les nanofibres de carboni. La forma més fàcil és fer servir un solvent com a portador de les nanofibres, però les CNFG no son estables en solvents polars. Amb les mesures de XPS es pot veure com la superfície de les nanofibres es torna més ordenada després de la grafitització (augment dels enllaços sp2). Una inspecció detallada de la superfície de les nanofibres mitjançant Microscòpia Electrònica de Transmissió (TEM) mostra que les vores de les nanofbires de carboni es tanquen sobre elles mateixes exposant majoritàriament els enllaçoso sp2 que son menys reactius. S’ha descobert que aplicant un tractament tèrmic en una atmosfera rica en oxigen es possible tornar a obrir aquestes voreres exposant els enllaços sp3 tornant més reactiva la superfície i permetent la formació de solucions estables de nanofibres de carboni en solvents polars en concentracions de fins 1 mg/ml. Amb aquestes solucions es possible fabricar els sensors de gas utilitzant les nanofibres de carboni com a capa activa. Com que l’objectiu es fabricar un sensor de gas flexible els elèctrodes han estat fabricats mitjançant la tècnica d’impressió ink-jet amb tinta de plata sobre un substrat de kapton. Les nanofibres de carboni son dipositades directament sobre els elèctrodes mitjançant un sistema modificat d’electrospray, formant la capa activa. A part de tindre una major reactivitat i estabilitat en solució, també s’ha estudiat la possibilitat de decorar la superfície de les nanofibres de carboni amb nanopartícules metàl•liques per millorar la seva resposta a determinats gasos. S’ha seguit la estratègia de la mescla directa de sals metàl•liques (AuCl3 i PdCl2), fent servir un procés extra de ball-milling per promoure l’adhesió de la sal a la superfície de la nanofibra. Després del procés d’impregnació el material es tractat en un procés de recuit en una atmosfera d’oxigen per descompondre la sal i obtenir les nanopartícules metàl•liques (Au i Pd). La resposta pels diferents tipus de nanofibres (sense modificar i decorades amb Au i Pd) han estat estudiades. En general, les nanofibres responen bé a la humitat inclús a temperatura ambient. A més, amb una humitat relativa del 50 % es poden detectar gasos tal com NH3 o NO2 amb un petit efecte de enverinament de la superfície. Si s’aplica temperatura aquest efecte desapareix i es troba que la temperatura òptima d’operació es 110ºC. Per la seva banda, el grafé està demostrant sent un material prometedor per una gran varietat d’aplicacions. Gràcies a la seva estructura planar i transparència es molt adequat per la fabricació d’elèctrodes transparents, però també pot ser útil per transistors o capes protectores. Tot i això, un dels principals problemes és trobar un mètode estandarditzat per sintetitzar i dipositar grans àrees amb grafé d’alta qualitat. Una de les possibilitats és seguir una ruta química, en que s’oxida fortament el grafit i després es desmunten les plaques mitjançant sonicació, obtenint el que s’anomena grafé oxidat (GO). Després es té que reduir el material per obtenir grafé oxidat reduït (rGO), un material similar al grafé. És necessari que tots aquests tractaments siguin monitoritzats per obtenir el millor material possible. A més, aquest sistema d’anàlisi tindria que ser compatible amb el possible procés industrial de síntesi i dipòsit. L’espectroscòpia Raman compleix aquests requisits , ja que és una tècnica ràpida i fàcil d’utilitzar, a part de que és no destructiva i dona la possibilitat de analitzar directament els dispositius finals. En aquest estudi s’ha proposat fer servir el pic D’’ per analitzar el GO i els seus productes reduïts a partir d’un procés de reducció tèrmic. Hem descobert que el pic D’’ pot ser usat com a marcador per analitzar el estat de la reducció a ja que la seva posició depèn d’aquesta característica. A més a més, s’ha demostrat que fent servir el pic D’’ els altres pics (D, G i D’) segueixen les relacions presentades per altres autors per carbonis desordenats o activats, volent dir que el pic D’ ajuda a obtenir el grau de desordre real de la mostra. |
|---|