Síntesis de nanoalmbres de plata a partir de método coloidal.

Servicio Social

Reporte Final


Didier Castañeda García

Ingeniería química

Número de control: IQ-12A020

Instituto Tecnológico Superior de Tlaxco

Apoyo en el proyecto: síntesis de nanotubos híbridos de BN-C para aplicación de transporte.





Índice Página

Introducción…………………………………………………………………….... 1
Desarrollo de actividades….……………………………………………………... 2
Resultados………………………...……………………………………………… 6
Conclusiones……………………….…………………………………………….. 7
Recomendaciones………………………………………………………………... 8



















Introducción.
En el transcurso de las últimas décadas los nanomateriales metálicos han recibido una importante atención, esto debido a las propiedades físicas y químicas que poseen en comparación con su estado en bulto. Los nanoalambres representan un tipo de material unidimensional, en los cuales el movimiento de portadores energéticos está restringido solo en dos direcciones, esto le confiere propiedades únicas de transporte de electrones, fotoquímicas y fotofísicas. Entre los metales, la síntesis de nanoalambres de plata ha sido extensamente investigada debido a la gran conductividad eléctrica y calorífica que presenta en su estado en bulto. Además, los nanoalambres de plata han exhibido importantes aplicaciones en diversos campos como son en la detección óptica, catálisis, así como en biomedicina y sensores químicos. En particular los nanoalambres metálicos se espera que jueguen un papel importante en la fabricación a nano escala de componente electrónicos. [1]
En años recientes los nanoalambres de plata han sido empleados para la fabricación de electrodos conductores transparentes para pantallas táctiles debido a que son excelentes conductores de la electricidad (6.5 x 105 S cm-1).
Un gran número de métodos han sido explotados para la síntesis de nanoestructuras. Estos métodos pueden ser clasificados en diversas categorías: templado, electroquímico, reducción fotoeléctrica, irradiación ultravioleta, asistencia con microondas y método solvotermal. [2]
La síntesis poliol como un excelente método de síntesis de nanoestructuras metálicas fue reportado por primera vez por Fievet et al [3]. Subsecuentemente, el método fue desarrollado por diversos investigadores para sintetizar nanoestructuras con diversas morfologías a través de la modificación de parámetros experimentales. Xia et al [4] sintetizó nanoalambres de plata mediante el control de la razón de inyección de nitrato de plata (AgNO3) y pirrolidinpirrolidona (PVP) en solución, usando etilen glicol (EG) como solvente y reductor. Para la formación de nanoalambres de plata con un alto rendimiento, la concentración y la lenta adición del precursor son cruciales. El EG y el glicerol juegan un importante rol para el control de la nucleación en el comienzo de la reacción, subsecuentemente, el glicerol con una alta viscosidad disminuye la velocidad de migración de Ag0 en favor de la formación de nanoalambres de plata.
Por las facilidades y alto rendimiento de síntesis que presenta el método poliol [1], se selecciona como el proceso de síntesis de los nanoalambres de plata, esto empleando una mezcla de glicerol y EG en presencia de PVP a un temperatura de 200 °C y un tiempo de reacción de cinco horas, esta reacción se lleva a cabo dentro de una autoclave de acero inoxidable la cual fue diseñada dentro del mismo proyecto.
11A este método se le realizan modificaciones en los parámetros experimentales, como son: temperatura, concentración y tiempo de residencia. Además, se realizaron cambios en los reactivos de síntesis, considerando el peso molecular (PM) de la PVP como un parámetro crucial para la síntesis de nanoalambres de plata.
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Desarrollo de actividades.
1.-Consulta de bibliografía especializada.
Por primera actividad dentro del proyecto, fue necesario la consulta de bibliografía especializada en síntesis de nanoestructuras en general, posteriormente se recurrió a la consulta de bibliografía sobre nanoestructuras metálicas y su síntesis mediante métodos en solución. Todo esto para comprender de una mejor manera el fenómeno que conlleva la síntesis de nanoalambres de plata, y así poder ajustar los parámetros necesarios para garantizar un alto rendimiento en la síntesis de estos.
2.- Implementación del método polyol en matraz de tres bocas.
Como primer intento de síntesis se empleó un matraz de tres bocas como recipiente de reacción, este se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Esquematización del proceso poliol para diferentes nanoestructuras.
El proceso mediante el cual se ha llevado a cabo la síntesis de nanoalambres de plata es el método polyol Xiniling , et al (2009), en este se emplean los siguientes reactivos:
Nitrato de plata (AgNO3).
PVP (Mw=40,000 g/mol).
Etilenglicol.
Cloruro de sodio (NaCl).
200 °C
A diferencia, para nuestra síntesis se emplearon los siguientes reactivos:
Nitrato de plata (AgNO3).
PVP (Mw=55,000 g/mol).
22Glicerol.
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Con este método, los resultados arrojados por la espectroscopia UV-Vis nos indican que no existe un forzamiento a una geometría en particular, por lo cual se presentaban diversas nanoestructuras con diversas geometrías. (Figura 1). Por lo tanto, se decide realizar modificaciones tanto al recipiente de reacción, como a los parámetros experimentales.
3.-Implementación de la Autoclave
Con base en los resultados obtenidos se decide diseñar un nuevo recipiente de reacción como se aprecia en la Figura 2 y 3.


Figura 2. Planos de reactor para la síntes de Ag NW´s Figura 3. Reactor para la síntesis de Ag NW's

El recipiente posee una capacidad de 50 mL, el material de fabricación fue acero inoxidable en el exterior, para el interior se empleo teflón. Esto, para soportar una temperatura de 200 °C. Al emplear este recipiente de reacción la geometría obtenida se homogeniza y tiende a la formación de nanorodillos y nanoalambres de plata, por tanto las concentración de cada reactivo para la síntesis de nanoalambres se muestran el Tabla 1.

AgNO3 (g)
PVP (g)
EG (mL)
Glicerol (mL)
Temperatura (°C)
Tiempo de reacción (min)
0.0349
0.0674
5
15
200
300
Tabla 1. Reactivos y concentraciones empleados para la síntesis de nanoalambres de plata.

33El proceso de síntesis consiste en la preparación de dos soluciones, en la primera de ellas se mezclan 5 ml de glicerol y 0.0349 g de nitrato de plata (AgNO3), esta se deja en agitación constante hasta que la solución se encuentre totalmente diluida, en la segunda se mezclan 15 ml glicerol junto con 0.0674 g de pirrolidinpirrolidona (PVP), de igual manera es indispensable la agitación constante, a continuación estas dos soluciones se mezclan y se depositan en el autoclave (Figura 2), esta se deja reaccionar por un tiempo de 5 horas a una temperatura de 200 °C.
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La esquematización del proceso se observa en la Figura 4.

0.036 g AgNO30.036 g AgNO3
0.036 g AgNO3
0.036 g AgNO3
15 ml Glicerol + 0.0674 PVP (PM: 55,000).15 ml Glicerol + 0.0674 PVP (PM: 55,000).AutoclaveAutoclaveGlicerol + PVP + AgNO3Glicerol + PVP + AgNO3200 °C200 °CNanoalambres de Ag0Nanoalambres de Ag0Figura 4. Esquematización del procesoFigura 4. Esquematización del proceso
15 ml Glicerol + 0.0674 PVP (PM: 55,000).
15 ml Glicerol + 0.0674 PVP (PM: 55,000).
Autoclave
Autoclave
Glicerol + PVP + AgNO3
Glicerol + PVP + AgNO3
200 °C
200 °C
Nanoalambres de Ag0
Nanoalambres de Ag0
Figura 4. Esquematización del proceso
Figura 4. Esquematización del proceso








4.- Caracterización de nanoalambres.
La siguiente actividad realizada consistió en la caracterización de las muestras obtenidas a partir de espectroscopia UV-Vis, con el procedimiento antes descrito se han obtenido resultados satisfactorios que se describen a continuación.
A las muestras resultantes se le realiza un lavado con agua destilada, centrifugan a 4,000 rpm y posteriormente, se le realizan espectroscopia UV-Vis, uno de los espectros obtenidos se aprecia en la Figura 5.
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Figura 5. Espectroscopia UV-Vis de muestras finales

Con base en lo observado en la Figura 5, una absorción de entre 352 y 383 nm nos permite suponer el crecimiento de nanoestructuras unidimensionales (1D), también la profundidad del mínimo nos indica el radio de la nanoparticula.

5.- Cinética de la reacción.
Una vez obtenidos un número de espectros con absorción repetitiva, se decide realizar la cinética de la reacción, es decir cómo es que evoluciona la reacción a través del tiempo. (Figura 6). Este proceso consistió en la extracción de un número considerable de muestras a diversos intervalos de tiempo, en seguida las muestras extraídas son analizadas mediante espectroscopia UV-Vis.
Se observa como de 0 a 12 minutos de reacción no existe una absortividad clara, lo que nos indica que no existen nanoestructuras de plata.
A partir de los 21 minutos comienza el proceso de nucleación, que es donde se pueden apreciar el crecimiento de nanoparticulas, esto ocurre hasta un tiempo aproximado de 30 min.
Después de 30 minutos de reacción con base en los espectros UV-Vis, comienza el proceso de autoensable, es decir comienza la síntesis de nano alambres de plata.

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5
5
b)b)a)a)
b)
b)
a)
a)




d)d)c)c)
d)
d)
c)
c)






Figura 6. Espectros de absorción UV-vis de diferentes muestras en la síntesis de nanoalambres de Ag, a) 0-12 min, b) 14-21 min, c) 23 – 29 min, d) 31 – 40 min. Velocidad de calentamiento 3 C/min.Figura 6. Espectros de absorción UV-vis de diferentes muestras en la síntesis de nanoalambres de Ag, a) 0-12 min, b) 14-21 min, c) 23 – 29 min, d) 31 – 40 min. Velocidad de calentamiento 3 C/min.
Figura 6. Espectros de absorción UV-vis de diferentes muestras en la síntesis de nanoalambres de Ag, a) 0-12 min, b) 14-21 min, c) 23 – 29 min, d) 31 – 40 min. Velocidad de calentamiento 3 C/min.
Figura 6. Espectros de absorción UV-vis de diferentes muestras en la síntesis de nanoalambres de Ag, a) 0-12 min, b) 14-21 min, c) 23 – 29 min, d) 31 – 40 min. Velocidad de calentamiento 3 C/min.


Resultados.
Finalmente, debido a los resultados mostrados por la espectroscopia UV-Vis es factible pensar que la síntesis de nanoalambres de plata se ha realizado, sin embargo como esta espectroscopia es una medida indirecta, fue necesario corroborar mediante espectroscopia SEM. (Figura 7).
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Figura 7. Espectroscopia SEM de muestras finales

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Figura 8. Espectros UV-Vis para diferentes muestras con diferentes cantidades de AgNO3: 0.075, 0.218, 0.188, 0.158, 0.128 and 0.098 g

Así pues el mecanismo por el cual se han sintetizado los nanoalambres de plata se aprecia en la Figura 9.

Figura 9. Esquematización del proceso de síntesis de nanoalambres de plata

Conclusiones.
El método poliol es un proceso de alta eficiencia para la síntesis de nanoalambres de plata.
77Un pico de absorción en 352 y 383 nm, nos garantiza el crecimiento de nanoalambres de plata con un diámetro característico.
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El análisis de la cinética de crecimiento en la formación de nanoalambres de Ag, nos indica que el proceso de auto ensamble inicia a 130 ºC y a 150 ºC se da la formación de nanoalambres de Ag, esto de acuerdo al análisis de a los espectros Uv-VIS.
De acuerdo a las imágenes SEM se corrobora la síntesis de nanoalambres de Ag con un diámetro de 90 nm con una concentración 0.
Al modificar la concentración de AgNO3 se observa que la mejor concentración para la obtención de nanoalambres de Ag es de 0.047 M.
Recomendaciones.
Es indispensable el uso de reactivos con alta pureza para llevar a cabo una síntesis más eficiente.
Para garantizar una alta pureza en la síntesis de nanoalambres es necesaria el uso exclusivo de material de laboratorio para este fin.
Dado que en el Instituto Tecnológico Superior de Tlaxco no se cuenta con la instrumentación necesaria para la caracterización de las nanoestructuras los análisis correspondientes fueron llevas a cabo en el Centro de Investigación en Biotecnología Aplicada (CIBA) y
Por los motivos citados en el anterior punto, es complicado darle continuidad al proyecto, dentro de las instalaciones del instituto.




Referencias.
[1] Changhua An, CrystEngComm, 2012, 14, 5886–5891.
[2] J. D. Guo , C. Y. Zhi , X. D. Bai y E. G. Wang , Appl. Phys. Lett., 80, 124, (2002).
[3] ] X. Tang and M. Tsuji, in Nanowires Science and Technology, ed. N. Lupu, InTech, 2010, chap. 2, pp. 25–42.
[4] Pascual, J. I.; Mendez, J.; Gomez-Herrero, J.; Baro, A. M.; Garcia, N.; Landman, U.; Luedtke, W. D.; Bogachek, E. N.; Cheng, H. P. Science 1995, 267, 1793-1795.
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