Síntesis de nanotubos de carbono y evaluación de potenciales aplicaciones . - Zilli, Dario Adrián (2009)
Se sintetizan arreglos auto-alineados de nanotubos de carbono (CNTs) multi-pared mediante el proceso de deposición química en fase vapor de catalizador flotante. Se emplean compuestos organo-metálicos en base a ftalocianina y metales de transición, como precursores (FePc, CoPc), y distintas condiciones de operación (temperatura de síntesis TR, flujo gaseoso total, composición de H2). Se examina, principalmente, la influencia de TR, de la especie metálica del precursor (Fe o Co) y de una secuencia de post-tratamientos aplicados para su purificación sobre la arquitectura (diámetro, longitud y alineamiento), la capacidad de adsorción de gases y el comportamiento térmico de los arreglos auto-alineados y de los CNTs individuales que los conforman. El protocolo de purificación consiste en la oxidación parcial en fase gaseosa de las nanopartículas metálicas, en condiciones estrictamente controladas, la sub-siguiente remoción de las nanopartículas de óxido mediante tratamiento ácido, y la dispersión final en etanol por ultrasonido. La caracterización de los CNTs se lleva a cabo mediante microscopía electrónica de barrido y de transmisión, determinación de las isotermas de adsorción de N2 y Kr (77 K), análisis termogravimétrico dinámico (TGA) en condiciones oxidantes, y análisis elemental, entre otros métodos. Para ambos precursores, el aumento de TR (780-1050 ºC) favorece el crecimiento de nanotubos de mayor longitud (5-55 µm), conduce a incrementar el diámetro interno (7-60 nm) y externo (25-100 nm), y a reducir el alineamiento vertical y la densidad de los arreglos. En las mismas condiciones de operación, los CNTs sintetizados a partir de CoPc presentan mayores longitudes, y menores diámetros y grado de alineamiento que los que resultan de emplear FePc. En particular, los arreglos obtenidos a partir de este último evidencian una importante presencia de CNTs con uniones tipo Y, que crecen naturalmente para determinados conjuntos de condiciones de operación. Se propone un mecanismo que permite explicar la formación y el crecimiento de este tipo de nano-estructuras. El protocolo completo de purificación modifica drásticamente la morfología de los arreglos, resultando en estructuras 2-D conformadas por CNTs individuales alineados de manera aleatoria, preservando sus características morfológicas prácticamente inalteradas. La capacidad de adsorción de N2 de los arreglos sintetizados a partir de FePc es mayor que la determinada para los que resultan de CoPc. Esta disminuye tanto al incrementar TR como al someter los arreglos al protocolo completo de purificación. El comportamiento se atribuye, en todos los casos, a la pérdida de espacios intersticiales entre CNTs vecinos, como consecuencia de la notable reducción del grado de alineación de los NTCs. Asimismo, la estabilidad térmica de los CNTs es mayor para los sintetizados a partir de FePc y se incrementa al aumentar la TR, como se infiere a partir de los resultados obtenidos por TGA. Las mismas tendencias conjuntamente con una disminución de la fracción másica residual también se evidencian luego de la purificación, contribuyendo a validar la efectividad del protocolo aplicado. Además, los CNTs sintetizados a partir de FePc en condiciones de operación pre-establecidas, sin tratar y sometidos a la secuencia de purificación, se procesan satisfactoriamente en forma de films finos (bucky-papers), y se caracteriza su arquitectura y comportamiento eléctrico. Se determinan valores de resistividad eléctrica del orden de 10-3 O·m. Por último, se preparan films nanocompuestos por los CNTs sintetizados a partir de FePc, prístinos y purificados, y nanopartículas metálicas de Pd, y se evalúa su potencialidad como sensores de H2 a temperatura ambiente. Con este propósito, se determina la resistividad eléctrica sometiendo los films nanocompuestos a atmósferas de distinta concentraciones de H2. La sensibilidad máxima alcanzada indica que éstos podrían emplearse para sensar H2 a temperatura ambiente.