UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORMicroscopio de fuerza atómica (AFM), la espectroscopia Ultravioleta visible (Uv-Vis) e Infrarroja (IR) cuyos datos permitieron determinar que la combinación

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

CARRERA DE QUÍMICA

SÍNTESIS ELECTROQUÍMICA Y

CARACTERIZACIÓN DE GRAFENO A PARTIR DE

GRAFITO FOIL

Trabajo de Investigación presentado como requisito previo a la obtención del título de:

QUÍMICO

AUTOR: Víctor Paul Ger Quel

e-mail: [email protected]

TUTOR: Dr. Pablo Bonilla

e-mail: [email protected]

Octubre 2016

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

ii

Portada

Dedicatoria El presente trabajo se lo dedico a mi Madre Alicia Quel pilar fundamental en todo mi

desarrollo académico y personal quien con su paciencia, consejos y dedicación me ha

enseñado la importancia del esfuerzo y sacrificio para alcanzar todas mis metas,

guardándome con mucho cariño aquel consejo en el cual me decía “existen dos tipos de

personas que el mundo recuerda; los que van adelante y los que van atrás elige en qué lugar

debes estar”, así también le dedico este trabajo a mi hijo Derek Francisco que es uno de los

motivos que tengo y tendré por el resto de mi vida para seguir mejorando, para así lograr

ser su ejemplo a seguir y acompañarlo en los retos que el destino le presente.

iii

Agradecimientos

Es para mí importante agradecer a Dios por todos los beneficios que me ha brindado, las

bendiciones de tener una excelente familia, salud y felicidad que son los pilares de mi vida.

En el ámbito profesional agradezco a mi tutor el Doctor Pablo Bonilla quien con sus

conocimientos y consejos me motivó a terminar este trabajo y el cual siempre me dio

facilidades para el desarrollo de mi investigación siendo un verdadero guía. Así también al

Dr. Wilson Parra el cual ha sido mi maestro y amigo con el cual he tenido la oportunidad de

desarrollarme investigativamente con las asignaturas que él es encargado y quien siempre ha

estado presto a ayudarme en mis inquietudes, así como también al BqF Jorge Moncayo quien

ha estado presto a ayudarme y poyarme en mi trabajo investigativo.

También agradezco a mi grupo de amigos que me han acompañado en esta divertida

trayectoria y a los cuales les deseo la mejor de las suertes en todos sus objetivos y recordando

los buenos momentos que compartimos juntos.

A mi familia que ha sido siempre un apoyo para mí motivándome siempre a continuar

mostrándome lo importante de no dejar las cosas inconclusas.

Y para terminar a Katherine mi compañera y amiga con la cual he afrontado adversidades en

todos los sentidos pero siempre ha perdurado el enorme cariño que nos tenemos y a la cual

también deseo que su vida profesional se llene de todos los éxitos posibles.

iv

Autorización de Autoría Intelectual

v

Constancia de aceptación del Tutor

vi

Constancia de aprobación del trabajo final por el tribunal

vii

Índice de Contenido

Portada .......................................................................................................................................... ii

Dedicatoria .................................................................................................................................... ii

Agradecimientos .......................................................................................................................... iii

Autorización de Autoría Intelectual ............................................................................................. iv

Constancia de aceptación del Tutor .............................................................................................. v

Constancia de aprobación del trabajo final por el tribunal ......................................................... vi

Índice de Contenido .................................................................................................................... vii

Índice de Anexos .......................................................................................................................... ix

Índice de Figuras ........................................................................................................................... x

Índice de Tablas ............................................................................................................................ xi

Índice de Gráficos ........................................................................................................................ xii

Resumen ..................................................................................................................................... xiii

Abstract ...................................................................................................................................... xiv

Introducción .................................................................................................................................. 1

CAPITULO 1: EL PROBLEMA ........................................................................................................... 3

1.1. Planteamiento del Problema ....................................................................................................... 3

1.2. Formulación del Problema .......................................................................................................... 4

1.3. Objetivos de la investigación ....................................................................................................... 5

1.4.1. Objetivo General. ......................................................................................................... 5

1.4.2. Objetivos Específicos. .................................................................................................. 5

1.4. Importancia y Justificación de la investigación ........................................................................... 5

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 8

2.1. Antecedentes: ............................................................................................................................. 8

2.2. Fundamentación Teórica: ............................................................................................................ 9

2.3. Hipótesis .................................................................................................................................... 14

2.3.1. Hipótesis de Trabajo. ................................................................................................. 14

2.3.2. Hipótesis Nula. ........................................................................................................... 14

2.4. Conceptualización de las variables ............................................................................................ 14

2.4.1. Voltaje: ....................................................................................................................... 14

2.4.2. Contraelectrodo: ........................................................................................................ 14

CAPÍTULO 3: MARCO METODOLÓGICO ...................................................................................... 15

3.1. Diseño de la investigación ......................................................................................................... 15

3.2. Población y Muestra. ................................................................................................................. 15

viii

3.3. Métodos y Materiales (Anexo 2 y 3): ........................................................................................ 15

3.2.1. Exfoliación Electroquímica ......................................................................................... 15

3.2.2. Espectroscopia UV-Vis ............................................................................................... 16

3.2.3. Espectroscopia Infrarroja ........................................................................................... 16

3.2.4. Microscopia de Fuerza Atómica ................................................................................ 17

3.2.5. Equipos ...................................................................................................................... 18

3.4. Operacionalización de las Variables .......................................................................................... 21

3.5. Técnicas de procesamiento y análisis de datos. ........................................................................ 21

CAPÍTULO 4: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ................................................................ 22

4.1. Análisis de porcentaje de grafito exfoliado. .............................................................................. 23

4.2. Caracterización Uv-Vis del grafeno sintetizado. ........................................................................ 25

4.3. Análisis por Espectroscopía Infrarroja ....................................................................................... 29

4.4. Caracterización por Microscopia de Fuerza Atómica (AFM). .................................................... 33

4.5. Diseño Experimental.................................................................................................................. 49

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ............................................................... 52

5.1. Conclusiones. ............................................................................................................................. 52

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 54

ANEXOS ....................................................................................................................................... 56

ix

Índice de Anexos

Anexo 1. Diagrama Causa Efecto. ........................................................................................ 56

Anexo 2. Diagrama de flujo (Parte experimental). ................................................................ 57

Anexo 3. Ficha de registro de datos. ..................................................................................... 58

Anexo 4. Instrumento de recolección de datos. ..................................................................... 58

x

Índice de Figuras

Figura 1. Modelos propuestos de estructuras del óxido de grafeno (García) ........................ 10

Figura 2 Componentes microscopio de fuerza atómica (López, 2014). ................................ 12

Figura 3. Microscopia AFM modo tapping (López E. , 2014). ............................................ 12

Figura 4 Impacto luz incidente sobre la muestra. (López M. , 2013).................................... 13

Figura 5. Celda electroquímica. ............................................................................................. 15

Figura 6. Balanza Analítica. ................................................................................................. 18

Figura 7. Fuente de Poder. ..................................................................................................... 18

Figura 8. Sonicador. .............................................................................................................. 19

Figura 9. Centrifuga............................................................................................................... 19

Figura 10. Embudo de filtración al vacío. ............................................................................. 19

Figura 11. Bomba de vacío. ................................................................................................... 20

Figura 12. FTIR. .................................................................................................................... 20

Figura 13. Microscopio de Fuerza Atómica. ......................................................................... 20

Figura 14. Espectrómetro Uv-Vis.......................................................................................... 21

xi

Índice de Tablas

Tabla 1. Materiales y reactivos para la exfoliación electroquímica ...................................... 17

Tabla 2 Matriz de Operacionalización de Variables. ............................................................ 21

Tabla 3. Variable respuesta. .................................................................................................. 21

Tabla 4. Aleatorización de los experimentos. ....................................................................... 22

Tabla 5. Frecuencias para Grosor (nm). ................................................................................ 33

Tabla 6. Media y valor central del grosor de los ensayos a 15 minutos, platino y 6V. ......... 34

Tabla 7. Frecuencias para Grosor (nm) ................................................................................ 35

Tabla 8. Media y valor central del grosor a 25 minutos, platino y 10V. ............................... 36

Tabla 9. Frecuencias para Grosor (nm) ................................................................................. 37

Tabla 10. Media y valor central de medidas del grosor a 15 minutos, grafito y 6V ............. 38

Tabla 11. Frecuencias para Grosor (nm). .............................................................................. 39

Tabla 12. Media y valor central del grosor a 15 minutos, grafito y 10V. ............................. 40


Tabla 14. Media y valor central del grosor a 15 minutos, platino y 10V. ............................. 42


Tabla 16. Media y valor central del grosor a 25 minutos, platino y 6V. ............................... 44


Tabla 18. Media y valor central del grosor a 25 minutos, grafito y 6V. ............................... 46

Tabla 19. Tabla de Frecuencias para Grosor (nm). ............................................................... 47

Tabla 20. Media y mediana de medidas del grosor a 25 minutos, grafito a 10V. ................. 48

Tabla 21. Algoritmo de Yates para la estimación del efecto de cada factor. ........................ 49

Tabla 22. Efectos estimados para Grosor de la capa (nm). ................................................... 49

Tabla 23. Análisis de Varianza para Grosor de la capa ......................................................... 50

Tabla 24. Combinación más favorable para el experimento. ................................................ 51

Tabla 25. Valor calculado de respuesta óptima de la combinación idónea. .......................... 51

xii

Índice de Gráficos Gráfico 1. Espectro Uv-Vis del Oxido de grafeno NGO y grafeno reducido RGO (Mas, 2013). ...... 11

Gráfico 2. Comparación entre los tipos de contraelectrodo y la masa de exfoliación. ....................... 23

Gráfico 3. Comparación del porcentaje de exfoliación con el voltaje de exfoliación aplicado. ......... 24

Gráfico 4. Comparación entre el tiempo de exfoliación y el porcentaje de exfoliación. .................... 25

Gráfico 5. Determinación cualitativa de la presencia de grafeno y su grado de oxidación en función

del tiempo de exfoliación y el voltaje. ................................................................................................ 26

Gráfico 6 Determinación cualitativa de la presencia de grafeno y su grado de oxidación en función

del tiempo y tipo de contraelectródo .................................................................................................. 27

Gráfico 7. Determinación cualitativa de la presencia de grafeno y su grado de oxidación en función

del voltaje y tipo de contraelectródo. .................................................................................................. 28

Gráfico 8 Datos espectroscopia IR ..................................................................................................... 32

Gráfico 9. Datos de AFM ensayos a 15 minutos, platino y 6V. ......................................................... 33

Gráfico 10. Histograma tipo polígono ensayos a 15 minutos, platino y 6V ....................................... 34

Gráfico 11. Histograma ensayos a 15 minutos, platino y 6V. ............................................................ 34

Gráfico 12. Datos de AFM ensayos a 25 minutos, Pt y 10V. ............................................................. 35

Gráfico 13. Histograma tipo polígono ensayos a 25 minutos, platino y 10V. .................................... 36

Gráfico 14. Histograma ensayos a 25 minutos, platino y 10V. .......................................................... 36

Gráfico 15. Datos de AFM ensayos a 15 minutos, grafito y 6V. ........................................................ 37

Gráfico 16. Histograma tipo polígono ensayos a 15 minutos, grafito y 6V. ...................................... 38

Gráfico 17. Histograma ensayos a 15 minutos, grafito y 6V .............................................................. 38

Gráfico 18. Datos de AFM ensayos a 15 minutos, grafito y 10V. ...................................................... 39

Gráfico 19. Histograma tipo polígono ensayos a 15 minutos, grafito y 10V. .................................... 40

Gráfico 20. Histograma de ensayos a 15 minutos, grafito y 10V. ...................................................... 40

Gráfico 21. Datos de AFM ensayos a 15 minutos, platino y 10V. ..................................................... 41

Gráfico 22. Histograma tipo polígono ensayos a 15 minutos, platino y 10V. .................................... 42

Gráfico 23. Histograma ensayos a 15 minutos, platino y 10V. .......................................................... 42

Gráfico 24. Datos de AFM ensayos a 25 minutos, platino y 6V. ....................................................... 43

Gráfico 25. Histograma tipo polígono ensayos a 25 minutos, platino y 6V. ...................................... 44

Gráfico 26. Histograma ensayos a 25 minutos, platino y 6V. ............................................................ 44

Gráfico 27. Datos de AFM ensayos a 25 minutos, grafito y 6V. ........................................................ 45

Gráfico 28. Histograma tipo polígono ensayos a 25 minutos, grafito y 6V ....................................... 46

Gráfico 29. Histograma ensayos a 25 minutos, grafito y 6V .............................................................. 46

Gráfico 30. Datos de AFM ensayos a 25 minutos, grafito y 10V. ...................................................... 47

Gráfico 31. Histograma tipo polígono ensayos a 25 minutos, grafito y 10V. .................................... 48

Gráfico 32. Histograma ensayos a 25 minutos, grafito y 10V. ........................................................... 48

Gráfico 33. Diagrama de Pareto estandarizada para grosor de la capa. .............................................. 50

Gráfico 34. Curva que describe la interacción entre el tipo de contraelectródo y el voltaje aplicado.

............................................................................................................................................................ 51

xiii

Resumen

El presente trabajo tuvo como objetivo la caracterización de las muestras de grafeno obtenidas

por exfoliación electroquímica combinando variables como el voltaje aplicado a la celda, el

tiempo de exfoliación y el tipo de contraelectrodo utilizado cuyas modificaciones en el

experimento inciden en el grosor de las capas de grafeno así como también en la cantidad de

material exfoliado y su nivel de incorporación de oxígeno dentro de la estructura. Para la

medición de cada uno de estos cambios se utilizó técnicas instrumentales como el

Microscopio de fuerza atómica (AFM), la espectroscopia Ultravioleta visible (Uv-Vis) e

Infrarroja (IR) cuyos datos permitieron determinar que la combinación más favorable en

términos energéticos y de rendimiento fue cuando se utiliza un voltaje de 6.5v y un tiempo

de 16.4 minutos utilizando un contraelectródo de platino, obteniendo un grosor en la lámina

de grafeno de 2.6 nm.

Palabras Claves: Grafeno, caracterización, voltaje, tiempo de exfoliación, tipo de

contraelectródo.

xiv

Abstract

This work aimed at the characterization of samples of graphene obtained by electrochemical

exfoliation combining variables as the voltage applied to the cell, the time exfoliation and the

type of counter used: changes in the experiment affect the thickness of graphene layers so,

the amount of exfoliated material and level of incorporation of oxygen within the structure.

For the measurement of each of these exchange instrumental techniques used as the atomic

force microscope (AFM), the ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) and infrared (IR)

whose data allowed to determine the best combination: energy Performance and terms was

when voltage is 6.5V and time 16.4 minutes using platinum counter electrode, obtaining

thickness in the graphene sheet 2, 6 nm.

Keywords: Graphene, characterization, voltage, time exfoliation, type counter.

1

Introducción

En el presente trabajo se realizó la síntesis electroquímica de grafeno mediante la

exfoliación en fase acuosa de grafito foil, cuya fase contiene ácido sulfúrico, con

la energía ingresada se produce una reducción del ácido hasta dióxido de azufre

y cuyas moléculas por intercalación de iones SO2 entre las láminas de grafeno

mediante un movimiento de tijereteo permita la ruptura de las fuerzas de Van Der

Waals y con ello el corte en placas de grafito de menor grosor para luego mediante

ultrasonido permitir disminuir el ancho de estas placas hasta nivel de grafeno el

cual es considerado de esta forma si están en el rango de una hasta diez placas

donde ya se muestra las propiedades características de este material tales como:

flexibilidad, resistencia, conductividad baja resistencia eléctrica entre otras

descritas en este trabajo, que son las que dan gran interés para que se busque cada

día métodos diversos que permitan obtenerlo al menor costo y en gran cantidad

así como las condiciones para controlar su nivel de pureza.

Otra parte importante de este estudio fue conocer si el grado de oxidación de

nuestro producto se ve afectado en la combinación de estas variables, ya que el

grafeno no tiene una estructura tan simple como hexágonos formados de átomos

de carbono, sino que constitucionalmente presenta deformaciones propias que

dependen de la cantidad de oxígeno que tiene, este oxígeno atómico se presenta

en formas como cetonas, aldehídos, ácidos carboxílicos, éteres, ésteres e

hidroxilos. Cada uno de estos grupos crea un cambio en el estado de oxidación

de los átomos de carbono dispuestos en cada placa, ocasionando una distorsión

en la simetría así como en sus propiedades. Esta diferencia puede ser aprovechada

en distintas aplicaciones donde no es necesario un grafeno reducido ya que la

presencia de estos grupos disminuyen la conductividad del material, logrando con

esto hacerlo idóneo para adaptarse a aplicaciones específicas.

Para analizar la presencia de grafeno en las muestras la espectroscopía ultravioleta

visible es una herramienta muy útil ya que este compuesto tiene un pico de

absorción de aproximadamente 200 nm el cual se desplaza a la región del visible

dependiendo de cuan reducido se encuentra el mismo. En la identificación de qué

tipo de grupos oxigenados posee la estructura además se analizaron los datos

obtenidos por espectroscopia IR que identifica los diferentes grupos funcionales

presentes así como también el pico característico para hibridaciones de carbono

sp2 ya que el carácter olefínico crece potencialmente conforme la exfoliación es

más eficaz.

2

Para determinar el grosor de las capas de grafeno se utilizó Microscopia de Fuerza

Atómica en modo tapping la cual nos da valores numéricos de la cantidad de

átomos apilados de cada capa formada, la longitud de las placas, su rugosidad y

nos permite observar las formas que estas presentan. Es así como la

caracterización de cada ensayo nos da información muy importante cuando las

variables de estudio son combinadas y así dejar un precedente de qué condiciones

son las indicadas para producir grafeno dependiendo sus características y el

campo en el que se pretenda su utilización.

La determinación de estas condiciones da un paso para lograr que el proceso

pueda ser llevado a una escala mayor y así este material pueda estar al acceso de

los distintos profesionales que deseen implementar el grafeno en sus campos de

especialidad, teniendo ya precedentes de que el uso de este material puede ser

aplicado en construcción, circuitos, equipos para análisis ambiental, síntesis

orgánica entre otros.

3

CAPITULO 1: EL PROBLEMA

1.1. Planteamiento del Problema

La investigación científica en América Latina lleva un crecimiento bastante lento

tal como lo menciona la Scidev.Net en su artículo “Investigación

Latinoamericana, es escasa pero aumenta”, además como se puede analizar en el

ranking mundial de investigación (Consejo Superior de Investigaciones

Cientificas, 2014) donde Ecuador apenas tiene 3 representantes ubicados en

posiciones secundarias a nivel mundial nos da un indicio de como en nuestro país

nos falta una cultura de desarrollo investigativo.

Pese a que en los últimos años se ha observado un mayor interés por parte del

gobierno para la incursión en distintas áreas de investigación, que la lentitud en

el sistema administrativo ha ralentizado el avance en este sector, provocando que

muchos fondos proyectados a este campo no se hayan aprovechado de una manera

óptima y eficiente, tal como se analiza en el anexo 1.

Existen muchas áreas de investigación y una de ellas, en el campo de la Química

es el desarrollo de nuevos materiales con un tinte más amigable hacia el ambiente,

esto nace de la necesidad de reemplazar materiales tradicionales como el plástico

o el papel, que como bien conocemos tienen un tiempo de degradación bastante

considerable y en el cual su depósito y confinamiento marca un verdadero

problema en el desarrollo de una sociedad, por lo cual existen ya numerosas

campañas a nivel mundial que intentan reducir el uso de estos materiales.

Es ahí donde se debe buscar soluciones a corto, mediano y largo plazo que

ayudarán a que el ser humano aprenda a utilizar de mejor forma los recursos que

la naturaleza se los brinda, pero sobre todo ayudado de un avance sistemático de

la ciencia con ese objetivo.

El desarrollo de nuevos materiales encuentra gran importancia en su estudio, por

tener características excepcionales así como un sinnúmero de aplicaciones, se

tiene bien conocido que países de Primer Mundo llevan la posta en este tipo de

investigaciones pero he aquí la necesidad de empezar nosotros como país a

desarrollar este campo investigativo.

4

El material que ha causado gran revuelo desde su descubrimiento a inicios de este

siglo es el Grafeno, que por su disposición espacial, espesor, propiedades

electrónicas entre otras, promete un enorme campo de investigación en lo que se

refiere a sus aplicaciones, que puede ir desde detectores de polucionantes

ambientales hasta chips con mayor capacidad de almacenaje y transporte de

información. Pero todo este panorama tan prometedor tiene un grave limitante

que es la síntesis del Grafeno, a un costo bajo, con un alto grado de pureza y con

diferentes grados de funcionalidad, entendiéndose esta como la cantidad de

oxígeno que éste tiene en su estructura ya que esta última característica determina

los distintos campos en los que este material puede ser aplicado.

Cabe señalar que todas las investigaciones y publicaciones de síntesis de grafeno

o bien fueron realizadas como opciones de síntesis sin tener como objetivo una

producción a mayor escala, o también se encuentran protegidas por patentes que

exigen un margen de utilidad de los beneficios económicos que investigaciones

subsecuentes podrían obtener como resultado.

La vía escogida para la síntesis de este material es la electroquímica, en base a

ensayos previos realizados en Colombia por el Basile en la que logró sintetizar el

grafeno, pero su ensayo no contempló distintas variables que se prevé afectan la

cantidad de grafeno que se obtiene así como las diferencias que estas le pueden

dar a nuestro material.

Esta investigación tiene como finalidad la síntesis y caracterización de grafeno

para ser utilizado en campos de investigación de nuevos materiales en áreas de

ambiental e ingeniería mecánica en su mayoría, pero se abren posibilidades otros

campos en los que el grafeno encuentra cabida en sus procesos, tales como la

electrónica donde el grafeno se postula como un perfecto reemplazante del silicio

por su menor efecto Joule y su capacidad conductora. Otra es la construcción ya

que el grafeno es 1000 veces más duro que el acero y por lo cual se lo intenta

agregar al cemento para mejorar sus propiedades de resistencia.

1.2. Formulación del Problema

¿Cuáles son las mejores condiciones para la síntesis electroquímica y

caracterización de grafeno a partir de grafito?.

5

1.3. Objetivos de la investigación

1.4.1. Objetivo General.

Sintetizar y caracterizar grafeno por vía electroquímica a partir de

grafito foil.

1.4.2. Objetivos Específicos.

Estudiar el efecto del voltaje, tiempo de exfoliación y tipo de

contraelectrodo en la calidad del grafeno.

Caracterizar el grafeno producto de la síntesis en base a técnicas

instrumentales.

Comparar el grafeno obtenido con el comercial en base al grosor de

sus capas.

Determinar las condiciones óptimas para obtener grafeno con menor

grado de oxidación.

1.4. Importancia y Justificación de la investigación

En el mundo existe la necesidad de crear materiales modernos que permitan que

procesos que se van desarrollando constantemente tengan materiales que se

ajusten a las necesidades de los mismos, por citar un ejemplo se ha demostrado

que la conversión de la energía solar en eléctrica se la puede realizar de forma

directa métodos que se han ido perfeccionando con el paso de tiempo pero el

punto crítico de este proceso es que la producción de los paneles solares

envuelven materiales complejos y costosos lo cual limita a un sector el uso de

este tipo de energía.

Es ahí donde la investigación de los materiales encuentra cabida no solo en

términos de determinar cuál es el más idóneo para ser usado si no también creando

6

opciones que permitan tener una variedad de materiales a bajos costos y con

propiedades de gran campo de aplicación. Y cuyos procesos puedan ser llevados

a gran escala.

Tal como lo indica C. M. Rodríguez: Propiedades y Aplicaciones del Grafeno

“Su producción está hasta hoy restringida a nivel de laboratorio, sin embrago se

realizan arduas investigaciones para producirlo a escala industrial debido a las

extraordinarias propiedades que exhibe” (Rodriguez Gonzales, 2008), por eso la

síntesis del grafeno en la actualidad forma parte de una competencia para

adueñarse del mecanismo más sencillo de producción de este material a gran

escala, para poder empezar lo antes posible con la fabricación de productos en

los cuales ya se han encontrado aplicaciones para este material, es ahí donde la

presente investigación sería la lanza de partida para el estudio de factibilidad en

la aplicación de este material en distintos productos de manufactura nacional e

incluso regional, dando un salto importante en el avance de la innovación así

como de desarrollo sostenible.

Además la calidad medio ambiental depende de cómo logremos controlar

nuestros procesos para evitar la contaminación del aire y del agua por lo tanto los

procedimientos deben inmiscuir mínima degradación ambiental.

Es importante señalar que otras técnicas desarrolladas para la exfoliación de

grafito incluyen el uso de solventes para la formación de óxido de grafeno y la

posterior reducción hasta grafeno, estas vías plantean el uso de reactivos como

la hidracina, la hidroquinona, el permanganato de potasio, nitrato de sodio y ácido

sulfúrico usados en el proceso como reductores u oxidantes en las dos etapas

hacen que estos procesos requieran mayor cuidado en el uso de sus materiales así

como el gasto que la adquisición de los mismos.

Si tomamos en cuenta los “12 principios de Química Verde” (Castro, 2011)

encontramos que, el primer principio de “Prevención”, nos señala que es

preferible evitar un residuo antes de tener que limpiarlo, por lo tanto este se acopla

a nuestro proceso ya que evita el uso de reactivos reductores que a la final

generarán un residuo, como segundo principio tenemos el de “Economía

Atómica” que nos indica que toda síntesis se debe realizar de forma que la mayor

parte de los átomos formen parte del producto deseado, el grafito para nuestro

proceso simplemente es cortado en hojas sin la necesidad de perder átomos en

procesos subsecuentes o paralelos, si tomamos en cuenta el principio 5 “Reducir

el uso de sustancias auxiliares” la vía electroquímica es la más indicada ya que

reemplaza los agentes reductores que otros procesos utilizan, finalmente el

7

principio 10 nos señala que se deberán sintetizar productos biodegradables,

nuestro objetivo es la síntesis de grafeno que son placas de carbono que forman

parte de la materia orgánica y que además su producción se lo desea a gran escala

pero esto es relativo al tamaño que este presenta y por lo cual su descomposición

se facilita.

Para concluir cuales son las condiciones adecuadas para nuestra síntesis se

observará dos puntos clave que serán el grosor de las láminas de grafeno asi como

la cantidad de oxígeno presente en la muestra, ya que un grafeno puro es aquel

que posee menor cantidad de oxígeno en forma de grupos funcionales

incorporados en su estructura.

Es por eso que este estudio plantea primero reducir el número de pasos a uno y

utilizando solamente como solvente agua y corriente eléctrica como agente de

reducción y por ende la exfoliación se convierte en un proceso verde, con menor

gasto energético y a menor costo que por esta vía ofrece mejores resultados que

los otros métodos.

8

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes:

La síntesis de grafeno tiene distintas rutas una de ellas la indicada por Zhu

Ch.,et.al. en el artículo “Reducing Sugar: New Functional Molecules for the

Green Synthesis of Graphene Nanosheets”, en la que el óxido de grafeno obtenido

mediante el método Hummels puede ser reducido en presencia de azúcares, para

este ensayo se usó glucosa, fructosa y sacarosa, dando lugar a la reducción del

GO (óxido de grafeno) pero con distinta velocidad concluyéndose que la sacarosa

tiene un menor poder reductor, esta alternativa de síntesis no ha sido probada a

nivel industrial principalmente por el tiempo de reacción de 48 horas y

obteniendo un tipo de grafeno oxidado en los bordes y con presencia de

imperfecciones en su estructura. (Chengzhou Zhu, 2010)

También como otra alternativa de reducción del óxido de grafito se utiliza una

vía electroquímica indicada por Hui-Lin Ct y otros en el artículo “A Green

Approach to the Synthesis of Graphene Nanosheets”, en la cual se logró la

reducción de este óxido aplicando potenciales de -1.3V a -1.5V pero a -1.3V el

proceso de reducción es demasiado lento por lo que se realizó un estudio del

mecanismo de reducción de un tipo de compuestos oxigenados en función del

tiempo, a potencial de -1.5V la reducción fue mucho más rápida con el depósito

de precipitado sobre el otro electrodo de grafito y otra muestra visible fue la

desaparición de la tonalidad amarilla que tenía la suspensión de GO inicial. Como

métodos de caracterización se utilizó AFM, FTIR, Raman, Voltamperometría

comparando las imágenes de óxido de grafeno, grafeno reducido

electroquímicamente y grafeno reducido por métodos químicos, obteniéndose

visiblemente mejores resultados mediante una reducción electroquímica en

menor tiempo. (Guo, Wang, Qian, Wang, & Xia, 2009).

Según Kunfeng Ch. y otros: “Preparation of colloidal graphene in quantity by

electrochemical exfoliation”, aplicaron un tipo de exfoliación muy semejante a la

propuesta por nosotros utilizando como electrolito de soporte sulfato de amonio

el cual en solución ingresa genera H2O y SO42- que penetran entre las capas de

grafeno y al aplicarle un potencial constante de 10 V estas especies se oxidan a

O2 y SO2 las cuales realizan la ruptura en capas del grafito, obteniendo grafeno

solución que después es estabilizada en DMF para poder ser almacenada.

9

2.2. Fundamentación Teórica:

2.2.1. El grafeno

El grafeno se describe como una estructura plana en forma de panal formada por

carbonos sp2, obtenido por primera vez en el año 2004 por un tipo de exfoliación

mecánica el cual ya se había pronosticado su existencia medio siglo atrás, por lo

cual sus características ya eran anticipadas, más el hecho de su síntesis a nivel de

laboratorio provocó un estudio más minucioso de la estructura de esta forma

alotrópica del carbono. (Rodriguez Gonzales, 2008).

Este material de apenas un átomo de grosor tiene propiedades eléctricas ya que

está compuesto por fermiones de Dirac que son partículas con un espín medio

entero (1/2) ubicado en una sola cara del grafeno, esta disposición en un plano

provoca la unión de estos dos fermiones por acoplamiento de Cooper creando una

partícula que se comporta como Bosón la cual no obedece el principio de

exclusión de Pauli, por lo cual puede tener sus cuatro números cuánticos

principales iguales y es así como este tipo de partículas tienen una banda

prohibida de cero que es la cual un electrón debe atravesar desde la banda de

Valencia hasta la banda de conductividad para ser conductor.

Muchos más detalles del comportamiento del fermión de Dirac encontrado en esta

estructura se encuentran regido por la física de partículas por lo cual otras

aplicaciones atribuibles a este compuesto deben estar en fase de estudio.

2.2.2. Estructura del grafeno.

La estructura del grafeno es muy conocida consiste en una lámina de hexágonos

formados por carbonos con hibridación sp2 pero esta estructura como tal es difícil

encontrarla debido a la oxidación que puede sufrir las láminas por lo que es

probable encontrar un material oxidado.

Hasta la actualidad no se tiene una estructura fija de cómo se presenta el óxido de

grafeno de forma química sin embargo se han planteado varias modelos

estructurales probables tal como se muestra en la figura 1.

10

Figura 1. Modelos propuestos de estructuras del óxido de grafeno (García)

2.2.3. Técnicas de Caracterización.

Como se indicó anteriormente por estudios previos la exfoliación mecánica no

representa un método eficiente de producción de grafeno sobre todo por el tiempo

que tarda y la mezcla de capas que se obtiene que van desde capas de 100 átomos

de grosor hasta pequeñas cantidades de grafeno propiamente dicho, por lo que se

han propuesto varias vías de síntesis algunas especificadas en los antecedentes,

pero de acuerdo a la revisión bibliográfica la vía electroquímica provee la más

importante de todas primero por el tiempo corto de reacción al cual se sometería

para obtener nuestro producto.

Para la determinación de la pureza del producto se utilizan diferentes técnicas de

caracterización, como el AFM (microscopia de fuerza atómica). En esta técnica

se utiliza una punta que mediante caída y roces con la superficie de la molécula,

previamente colocada y preparada sobre una placa produce imágenes de la

estructura tridimensional y datos del grosor de las láminas de grafeno.

Para el estudio del grado de oxidación se lleva a cabo análisis mediante FTIR en

los espectros se observan picos para enlaces O-H, C=0, C-O, C=C los cuales

11

después del tratamiento electroquímico deberán dar un aumento en la intensidad

de la banda C=C ya que aumenta el carácter sp2 de las muestras.

Además un método cualitativo de caracterización de grafeno es la banda de

absorción alrededor de los 230nm la misma que se puede desplazar hacia la

derecha o izquierda dependiendo del grado de oxidación o reducción del material

y que dará un indicativo de la pureza de nuestro producto a esas condiciones (Mas,

2013), tal como se muestra en las figuras.

Gráfico 1. Espectro Uv-Vis del Oxido de grafeno NGO y grafeno reducido RGO (Mas,

2013).

2.2.3.1. Microscopia de Fuerza Atómica.

El microscopio de fuerza atómica es uno de los instrumentos de mayor

uso para caracterizaciones a escala manométrica, su principio es muy

sencillo y similar al de las básculas que miden nuestra masa corporal.

Un resorte con una constante elástica conocida es comprimido por una

fuerza arbitraria de magnitud F, la compresión del ΔZ resorte (que

tiene una constante elástica kz) es una medida directa de la fuerza

ejercida, la cual en el régimen de deformación elástica lineal obedece

la ley de Hooke:

F = kz ΔZ

La punta utilizada en el AFM conocido como cantiléver tiene

generalmente una rigidez de 0.01 N/m a 50 N/m. Por consiguiente la

detección se da por la flexión de la palanca en la cual esta ubicada el

cantiléver, el equipo utilizado mide esta flexión mediante un sistema

de láser con el cual es posible medir deflexiones de aproximadamente

0. Angstrom o unos pocos micrómetros (López,2014).

12

En el gráfico se muestra el principio del funcionamiento del equipo y

los principales componentes del AFM.

Figura 2 Componentes microscopio de fuerza atómica (López, 2014).

2.2.3.1.1. Modo de contacto intermitente o modulación de

amplitud (AM-AFM).

El presente método es el escogido para la presente investigación,

conocido también como “Tapping mode”, en este método la micro

palanca en la cual se encuentra el cantiléver se hace vibrar con

amplitudes en el rango nanométrico (aproximadamente entre 5 y 200

nm), la ventaja de esta técnica es que puede ser utilizada en distintos

ambientes tales como aire, vacío e inclusive en líquidos (López, 2014).

Para este modo el software mantiene constante la variable amplitud ya

que se compara con la amplitud calculada intermitente, el siguiente

gráfico muestra el funcionamiento del equipo en este modo.

Figura 3. Microscopia AFM modo tapping (López E. , 2014).

2.2.3.2. Espectroscopia Ultravioleta Visible (Uv-Vis).

Este tipo de absorción proviene de la excitación de los electrones

enlazantes y como consecuencia de las longitudes de onda de los picos

de absorción se relacionan con los tipos de enlaces que existen en las

especies de estudio. Por lo que esta técnica es muy utilizada para la

13

caracterización cualitativa y cuantitativa de grupos absorbentes

también conocidos como grupos cromóforos.

Generalmente los espectros de esta técnica se grafican de la longitud

de onda (nm) en función de la absorbancia obteniéndose datos

característicos de cada compuesto que son los que los definen siendo

estos la longitud de onda máximo y su intensidad, el primero

cualitativo y el segundo utilizado en fines cuantitativos. (López M. ,

2013)

Su funcionamiento está basado en un haz de luz que choca con la

muestra en fase líquida, gaseosa o sólida la cual absorbe una cantidad

de energía para sus transiciones electrónicas y esta diferencia

energética es tabulada por el equipo.

Figura 4 Impacto luz incidente sobre la muestra. (López M. , 2013)

2.2.3.3. Espectroscopia Infrarroja (IR).

Este tipo de microscopía es debida a la posibilidad de transiciones entre

los estados de energía vibracional y rotacional de las moléculas para

que una molécula pueda absorber la energía de fotones en el rango

energético de IR debe producirse un cambio en el momento dipolar de

la molécula durante un movimiento vibracional o rotacional y además

que la frecuencia asociada con el fotón coincida con la frecuencia

natural de su movimiento vibracional. Es por eso que es posible

caracterizar a las moléculas como activas e inactivas en el infrarrojo.

(Font, 2011).

Además existen zonas del IR que dependen de su longitud de onda:

Lejano 10 a 650 cm-1

Medio 650 a 4000 cm-1

Cercano 4000 a 12500 cm-1

14

2.3. Hipótesis

2.3.1. Hipótesis de Trabajo. Existe una relación entre las condiciones de la síntesis

con las características del producto obtenido.

2.3.2. Hipótesis Nula. No existe una relación entre las condiciones de la síntesis

con las características del producto obtenido.

2.4. Conceptualización de las variables

2.4.1. Voltaje:

El potencial de una célula Ecel es una medida de la diferencia de energía

electrónica entre los dos electrodos. La energía electrónica de cada electrodo

está relacionada con la fuerza con la que se produce la reacción en la interfase

electrodo - disolución. La unidad en la que se mide es el voltio.

La relación entre el potencial de la celda y las constantes (o mejor dicho, entre

las actividades) de sus componentes, se deduce fácilmente de la ecuación de

Nernst. Así, para una ecuación como:

aA + bB ==== cC + dD

La ecuación de Nernst tiene la expresión:

𝐸𝑐𝑒𝑙 = 𝐸𝑐𝑒𝑙0 +

0.0591

𝑛𝑙𝑜𝑔

𝑎𝐴𝑎. 𝑎𝐵

𝑏

𝑎𝐶𝑐 . 𝑎𝐷

𝑑

El potencial de una célula es siempre la diferencia entre el potencial del

cátodo y el potencial del ánodo:

E celda = E cátodo – E ánodo

2.4.2. Contraelectrodo:

Es un electrodo que se emplea en celdas de tres electrodos, que se emplea

solamente para hacer conexión eléctrica al electrolito, para de esta manera

poder aplicar una corriente al electrodo de trabajo. Dado que el proceso que

ocurre sobre este electrodo no es de importancia, suele emplearse un material

inerte (metal noble o grafito) para evitar su disolución. También se lo conoce

como electrodo auxiliar.

15

CAPÍTULO 3: MARCO METODOLÓGICO

3.1. Diseño de la investigación

La investigación se enmarca en un paradigma cuantitativo de característica causa-

efecto de las variables como el voltaje, tiempo de exfoliación y el tipo de

contraelectródo que se le aplicó en el proceso de síntesis y cómo estas afectan a

nuestro producto; está en un nivel explicativo donde intenta conocer las mejores

condiciones de esta síntesis y un tipo de investigación longitudinal ya que se

utilizó la experimentación, observación y revisión documental.

3.2. Población y Muestra.

Para el presente estudio no es necesario especificar población y muestra ya que

se restringe la variable tipos de grafito y solo se utilizó grafito de una misma

plancha para todos los experimentos.

3.3. Métodos y Materiales (Anexo 2 y 3):

3.2.1. Exfoliación Electroquímica

3.2.1.1 Para la celda electroquímica:

Figura 5. Celda electroquímica.

16

1. Preparar un electrodo de graphite foil (1 x 2 cm es suficiente). Pesarlo.

2. Usar como contraelectrodo Pt o grafito dependiendo el caso.

3. Preparar una solución 0.1 M de H2SO4.

4. Realizar la exfoliación a 10 y 6 V. Con tiempos de exfoliación de 15 y 25

minutos. La distancia entre los electrodos debe ser de aproximadamente 1 cm,

aunque no se ha hecho ningún estudio detallado al respecto. Verificar que la pinza

que sostiene el electrodo de grafito no toque la solución de H2SO4. Un espacio

de 4 mm entre la pinza y el nivel de la solución debería ser suficiente.

5. Pesar lo que queda del electrodo de grafito.

6. Reportar los datos (Anexo 3).

3.2.1.2 Sistema de filtrado.

Luego de la exfoliación el material en solución se filtra (lava) con agua tipo I en

un sistema de filtrado al vacío. Además se usan filtros Durapore Membrane Filter,

PVDF, hydrophilic, 0.45 μm, 47 mm, white, plain.

El procedimiento debe ser realizado con cierto cuidado a fin de eliminar el ácido.

1. Transferir el material filtrado a un tubo y completar el volumen con agua tipo

I, usualmente se completan 40 ml. Esto depende del tamaño del tubo y las

características de la centrífuga.

2. Sonicar por al menos 100 minutos a temperatura ambiente.

3. Centrifugar a 4500 rpm por 45 minutos a temperatura ambiente.

4. En la superficie de la solución se formará una lámina, el sobrenadante. Con

una pipeta fina extraer el material de interés.

5. Completar nuevamente la solución con agua tipo I, 40 ml. Así se tiene una

tinta de grafeno y multicapas de grafeno estabilizada en H2O

3.2.2. Espectroscopia UV-Vis

1. Tomar 3 ml de tinta de grafeno estabilizada en Agua tipo 1.

2. Colocar en una celda de cuarzo de 1 cm de grosor.

3. Medir como blanco Agua tipo 1

4. Realizar un barrido espectral desde 200 hasta 700 nm.

5. Reportar

3.2.3. Espectroscopia Infrarroja

1. Colocar 100 mg de Bromuro de Potasio en forma de placa sobre el Mortero

de Ágata.

2. Colocar 1.0 microlitro de tinta de grafeno estabilizada sobre la placa de

bromuro de potasio.

17

3. Secar en una estufa la mezcla por 10 minutos a una temperatura de 400 C.

4. Moler la muestra en el mortero.

5. Preparar la pastilla con la muestra.

6. Medir en el equipo de FTIR.

7. Reportar.

3.2.4. Microscopia de Fuerza Atómica

1. Tomar 4 ml de la tinta y someterla a sonicación durante 10 minutos.

2. Colocar 1.0 microlitro de tinta de grafeno estabilizada en Agua sobre un cubre

objetos.

3. Secar por 10 minutos a 400 C en una estufa

4. Dejar que la placa se enfríe y colocar en el AFM

5. Realizar las mediciones en modo Tapping.

6. Reportar.

Tabla 1. Materiales y reactivos para la exfoliación electroquímica

Materiales de

laboratorio

Reactivos y

soluciones

Vaso de precipitación de

250 ml

Ácido Sulfúrico

0.1M

Pinzas Grafito Foil

Platino

Grafito

Agua Millipore

18

3.2.5. Equipos

Balanza Mettler Toledo

AL204

Intervalo de operación 0,0001-

220g.

Figura 6. Balanza Analítica.

Extech Instruments

382280

Rango de trabajo

0-40V

0-5A

Figura 7. Fuente de Poder.

19

Figura 8. Sonicador.

Thermo Scientific

100-15000 RPM

Figura 9. Centrifuga.

Figura 10. Embudo de filtración al vacío.

20

WEB MLW LABORTECHNIK

ILMENAU

Figura 11. Bomba de vacío.

Varian 660-IR

FT-IR Spectrometer

Figura 12. FTIR.

AFM

Park Systems

Figura 13. Microscopio de Fuerza Atómica.

21

Fisher Scientific

Spectrum

Uv-Vis SPECTROPHOTO

METER

SP-2100UVPC

Figura 14. Espectrómetro Uv-Vis.

3.4. Operacionalización de las Variables

Tabla 2 Matriz de Operacionalización de Variables.

Factores Bajo Alto Unidades Continuo

Voltaje 6 10 voltios Sí

Tipo de

Contraelectrodo

Grafito Platino No

Tiempo 15 25 minutos Sí

Tabla 3. Variable respuesta.

Respuestas Unidades

Grosor de la capa nm

3.5. Técnicas de procesamiento y análisis de datos.

Para el análisis de datos se utiliza un diseño 23 con tres repeticiones en cada

combinación donde los 3 factores y sus dos niveles son:

Diseño Base

Número de factores experimentales: 3

Número de bloques: 3

Número de respuestas: 1

Número de corridas: 24

Grados de libertad para el error: 16

Aleatorizado: Sí

22

CAPÍTULO 4: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE

RESULTADOS

Tabla 4. Aleatorización de los experimentos.

No

Experimento

Tiempo Tipo de

Contraelectrodo

Voltaje

aplicado

(V)

Masa de

grafito foil

inicial

Masa de

grafito foil

final

% de

Exfoliación (min)

F1 15 Platino 6 0.0578 0.0563 2.59

F2 25 Platino 10 0.0439 0.0161 63.33

F3 15 Grafito 6 0.049 0.0477 2.65

F4 15 Grafito 10 0.0851 0.0608 28.55

F5 15 Platino 10 0.0737 0.0329 55.23

F6 25 Platino 6 0.0611 0.0516 15.55

F7 25 Grafito 6 0.068 0.0653 3.97

F8 25 Grafito 10 0.0734 0.045 38.69

F9 15 Platino 6 0.0683 0.0678 0.73

F10 25 Platino 10 0.0648 0.0127 80.40

F11 15 Grafito 6 0.0668 0.0653 2.30

F12 15 Grafito 10 0.0574 0.0446 22.30

F13 15 Platino 10 0.0606 0.0357 41.09

F14 25 Platino 6 0.0615 0.0491 20.16

F15 25 Grafito 6 0.062 0.0583 5.97

F16 25 Grafito 10 0.0513 0.0322 37.23

F17 15 Platino 6 0.0528 0.0522 1.15

F18 25 Platino 10 0.0576 0.0249 56.77

F19 15 Grafito 6 0.0583 0.057 2.23

F20 15 Grafito 10 0.0657 0.0423 35.62

F21 15 Platino 10 0.051 0.0176 65.49

F22 25 Platino 6 0.0497 0.0402 19.11

F23 25 Grafito 6 0.0533 0.0499 6.38

F24 25 Grafito 10 0.0498 0.0382 23.36

23

4.1. Análisis de porcentaje de grafito exfoliado.

El control en el porcentaje del material exfoliado permite determinar qué gasto

energético es el idóneo para una síntesis eficaz evitando el gasto de tiempo o voltaje

que es el objetivo de esta investigación

Gráfico 2. Comparación entre los tipos de contraelectrodo y la masa de exfoliación.

El gráfico 2 muestra como a 25 minutos de exfoliación y con un voltaje aplicado

de 10 voltios se obtiene un mayor porcentaje de material exfoliado, además se

puede observar que a 15 minutos y utilizando un voltaje de 6 voltios, no se

observa una diferencia significativa entre el tipo de contraelectrodo que se utilice

a esas condiciones.

24

Gráfico 3. Comparación del porcentaje de exfoliación con el voltaje de exfoliación

aplicado.

En el gráfico 3 se observa que existe un mayor porcentaje de exfoliación con un

contraelectrodo de platino tanto a 15 minutos como a 25 minutos, incluso la

exfoliación durante 15 minutos a 6V resulta insignificante en comparación con la

realizada a 10V, por lo que el voltaje aplicado tiene gran significancia sin importar

el tipo de contraelectrodo o el tiempo que se aplique ese voltaje.

25

Gráfico 4. Comparación entre el tiempo de exfoliación y el porcentaje de exfoliación.

En el gráfico 4 se puede observar que un voltaje de 10 V es el ideal para alcanzar

mayor porcentaje de exfoliación, así también que el tiempo de exfoliación a 10

voltios con un contraelectrodo de platino no es significativo ya que las masas de

grafito exfoliado tanto a 15 como a 25 minutos bordean la misma media, este

fenómeno también se lo puede observar a 10 voltios con un contraelectrodo de

grafito donde el tiempo tampoco es significativo, pero el porcentaje de

exfoliación si es mayor si el voltaje aplicado es de 6 voltios donde claramente se

puede ver que un tiempo mayor de exfoliación proporciona mayor cantidad de

material exfoliado.

4.2. Caracterización Uv-Vis del grafeno sintetizado.

Como indica Martínez Vanessa en su trabajo “Estudio de la Estabilidad del óxido de

grafeno con el grafeno”: Los espectros Uv-Vis presentan un máximo de absorción a 230

nm que se desplaza al visible conforme la muestra se encuentre más reducida. Es por

26

eso que usar esta técnica nos permite determinar la presencia de grafeno en solución y

del grado en que se encuentra oxidado.

15 minutos, 6V 25 minutos, 10 V

Longitud de

onda Absorbanci

a

F1 240 1.1808

F3 240 1.182

F9 239 1.1794

F11 241 1.1808

F17 241 1.1808

F19 241 1.1808

Longitud de

onda Absorbanci

a

F2 240.5 1.1846

F8 240.5 1.1846

F10 240 1.1808

F16 239 1.1794

F18 241 1.1808

F24 200 0.4742

15 minutos, 10V 25 minutos, 6V

Longitud de

onda Absorbanci

a

F5 240 1.1808

F4 240.5 1.1771

F13 240.5 1.1808

F12 240.5 1.1771

F21 200 0.5877

F20 200 0.4742

Longitud de

onda Absorbanci

a

F6 240 1.1808

F7 239 1.1808

F14 205 0.7115

F15 240.5 1.1808

F22 240.5 1.1808

F23 239 1.1794

Gráfico 5. Determinación cualitativa de la presencia de grafeno y su grado de

oxidación en función del tiempo de exfoliación y el voltaje.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda

Espectroscopias Uv-Vis

F1

F3

F9

F11

F17

F190

0.20.40.60.8

11.21.4

200 400 600

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F2

F8

F10

F16

F18

F24

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F4

F5

F12

F13

F20

F21

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F6

F7

F14

F15

F22

F23

27

El gráfico 5 muestra como la diferencia en el uso de un contraelectrodo de grafito

o uno de platino no muestra una diferencia significativa en el grado de oxidación

así como tampoco en la cantidad de grafeno presente en solución ya que ese dato

cuantitativo nos da el dato de absorbancia que tiende a 1.1808.

15 minutos, grafito 25 minutos, platino

Longitud de

onda Absorbanci

a

F3 240 1.182

F4 240.5 1.1771

F11 241 1.1808

F12 240.5 1.1771

F19 241 1.1808

F20 200 0.4742

Longitud de

onda Absorbanci

a

F1 240 1.1808

F5 240 1.1808

F9 239 1.1794

F13 240.5 1.1808

F17 241 1.1808

F21 200 0.5877

25 minutos, platino 25 minutos, grafito

Longitud de

onda Absorbanci

a

F2 240.5 1.1846

F6 240 1.1808

F10 240 1.1808

F14 205 0.7115

F18 241 1.1808

F22 240.5 1.1808

Longitud de

onda Absorbanci

a

F7 239 1.1808

F8 240.5 1.1846

F15 240.5 1.1808

F16 239 1.1794

F23 239 1.1794

F24 200 0.4742

Gráfico 6 Determinación cualitativa de la presencia de grafeno y su grado de

oxidación en función del tiempo y tipo de contraelectródo

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F3

F4

F11

F12

F19

F200

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F1

F5

F9

F13

F17

F21

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F2

F6

F10

F14

F18

F220

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F7

F8

F15

F16

F23

F24

28

En el gráfico 6 se hace una comparación entre el material exfoliado y el voltaje

aplicado en dónde a 25 minutos tanto con electrodo de platino y grafito con

potencial de 10 V (F2 y F8) obtiene mayor cantidad de material exfoliado.

6V, grafito 10V, platino

Longitud de

onda Absorbanci

a

F3 240 1.182

F7 239 1.1808

F11 241 1.1808

F15 240.5 1.1808

F19 241 1.1808

F23 239 1.1794

Longitud de

onda Absorbanci

a

F2 240.5 1.1846

F5 240 1.1808

F10 240 1.1808

F13 240.5 1.1808

F18 241 1.1808

F21 200 0.5877

6V, platino 10V, grafito

Longitud de

onda Absorbanci

a

F1 240 1.1808

F6 240 1.1808

F9 239 1.1794

F14 205 0.7115

F17 241 1.1808

F22 240.5 1.1808

Longitud de

onda Absorbanci

a

F4 240.5 1.1771

F8 240.5 1.1846

F12 240.5 1.1771

F16 239 1.1794

F20 200 0.4742

F24 200 0.4742

Gráfico 7. Determinación cualitativa de la presencia de grafeno y su grado de

oxidación en función del voltaje y tipo de contraelectródo.

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda

Espectroscopias Uv-Vis F3

F7

F11

F15

F19

F23

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F5

F10

F13

F18

F21

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F6

F9

F14

F17

F22

0

0.5

1

1.5

200 700

Ab

sorb

anci

a

Longitud de onda


F8

F12

F16

F20

F24

29

El gráfico 7 permite determinar que el tiempo no termina siendo una variable

determinante en la cantidad de material exfoliado a nivel de capas de grafeno,

que pese a tener muy distintos porcentajes de exfoliación de la placa de grafeno

solo un porcentaje de ese material llegara a cortarse en láminas de grafeno.

4.3. Análisis por Espectroscopía Infrarroja

Los datos de espectroscopía ultravioleta visible indican que todas las

combinaciones de síntesis nos dan un pico que bordea los 240 nm por lo que

corresponde a que el grafeno que tiene incorporado oxígeno en su sistema por lo

que la espectroscopía infrarroja nos indica qué grupos son los que la estructura

incorpora.

Muestra

Espectro

Rango

Picos

Importantes

(cm-1)

Asignación

Estructural

GR

UP

OS

PR

ES

EN

TE

S

F1

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F2

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F3

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F4

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

30

F5

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

SI

SI

SI

SI

F6

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F7

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F8

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F9

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

SI

SI

SI

SI

F10

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F11

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

31

F12

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

SI

SI

SI

SI

F13

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

SI

SI

SI

SI

F14

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F15

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F16

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

SI

SI

SI

SI

F17

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F18

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

32

F19

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F20

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F21

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F22

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F23

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

F24

3100-3700

1700-1750

1500-1650

1200-1400

1000-1200

OH

C=O

C=C

C-OH

C-O-C

SI

NO

SI

SI

SI

Gráfico 8 Datos espectroscopia IR

En el gráfico 8 se determina los grupos oxidados presentes en las muestras entre

ellas: hidróxilo, alcohol, éter y en pequeña proporción grupos cetona y cuyos

resultados son concordante a los resultados de ultravioleta.

33

4.4. Caracterización por Microscopia de Fuerza Atómica (AFM).

La microscopía de fuerza atómica en modo tapping nos permite obtener el grosor

de las placas de grafeno, para cada muestra se realizó un histograma para

determinar qué tipo comportamiento estadístico presenta y el valor central de las

medidas.

Grosor

(nm)

2.87 6.61 0.6230 3.954 3.153

2.447 2.747 2.3610 2.619 2.016

2.724 3.264 2.0000 3.72 2.638

1.966 1.93 2.4830 3.52 4.0000

3.244 2.577 2.3130 3.748 1.3420

3.783 3.233 2.2750 0.4270 2.7010

2.245 5.19 2.5560 3.5510 4.5870

1.959 3.956 2.9430 4.3830 4.2610

3.599 4.151 1.0220 4.3070 4.3210

4.619 2.468 1.0910 3.5790 2.828

2.637 3.79 4.818 3.945 2.982

4.017 3.624

Imagen

AFM

Gráfico 9. Datos de AFM ensayos a 15 minutos, platino y 6V.

Tabla 5. Frecuencias para Grosor (nm).

Límite Límite Frecuencia Frecuencia Frecuencia

Clase Inferior Superior Punto Medio Frecuencia Relativa Acumulada Rel. Acum.

menor o igual 0 0 0.0000 0 0.0000

1 0 1.14286 0.571429 4 0.0702 4 0.0702

2 1.14286 2.28571 1.71429 8 0.1404 12 0.2105

3 2.28571 3.42857 2.85714 21 0.3684 33 0.5789

4 3.42857 4.57143 4.0 19 0.3333 52 0.9123

5 4.57143 5.71429 5.14286 4 0.0702 56 0.9825

6 5.71429 6.85714 6.28571 1 0.0175 57 1.0000

7 6.85714 8.0 7.42857 0 0.0000 57 1.0000

mayor de 8.0 0 0.0000 57 1.0000

34

Gráfico 10. Histograma tipo polígono ensayos a 15 minutos, platino y 6V

Gráfico 11. Histograma ensayos a 15 minutos, platino y 6V.

Tabla 6. Media y valor central del grosor de los ensayos a 15 minutos, platino y 6V.

Valor Central (nm) 2.9

Media (nm) 3.1

Histograma de Polígono

0 2 4 6 8

Grosor (nm)

0

4

8

12

16

20

24

frecu

en

cia

35

Grosor

(nm)

10.757 27.745 4.913 7.483 3.597

27.251 16.567 2.905 5.121 97.99

3 27.377 22.179 19 77.223

18.563 17.387 6.137 26.377 53.662

5.08 22.823 3.367 37.367 32.043

3.132 9.369 44.227 26.432 40.941

8.363 25.234 33.925 25.731 20.842

4.339 20.54 22.346 43.436 25.491

2.148 12.345 12.863 13.268 9.23

4.585 5.915 16.348 2.975 22.795

24.305 18.664 25.707 1.174 4.77

10.094 19.094 36.784

Imagen

AFM

Gráfico 12. Datos de AFM ensayos a 25 minutos, Pt y 10V.

Tabla 7. Frecuencias para Grosor (nm)



menor o igual -1.0 0 0.0000 0 0.0000

1 -1.0 2.84615 0.923077 2 0.0364 2 0.0364

2 2.84615 6.69231 4.76923 14 0.2545 16 0.2909

3 6.69231 10.5385 8.61538 5 0.0909 21 0.3818

4 10.5385 14.3846 12.4615 4 0.0727 25 0.4545

5 14.3846 18.2308 16.3077 3 0.0545 28 0.5091

6 18.2308 22.0769 20.1538 6 0.1091 34 0.6182

7 22.0769 25.9231 24.0 9 0.1636 43 0.7818

8 25.9231 29.7692 27.8462 5 0.0909 48 0.8727

9 29.7692 33.6154 31.6923 1 0.0182 49 0.8909

10 33.6154 37.4615 35.5385 3 0.0545 52 0.9455

11 37.4615 41.3077 39.3846 1 0.0182 53 0.9636

12 41.3077 45.1538 43.2308 2 0.0364 55 1.0000

13 45.1538 49.0 47.0769 0 0.0000 55 1.0000

mayor de 49.0 0 0.0000 55 1.0000

36

Gráfico 13. Histograma tipo polígono ensayos a 25 minutos, platino y 10V.


Tabla 8. Media y valor central del grosor a 25 minutos, platino y 10V.


Media (nm) 17.2

Histograma de Polígono

-1 9 19 29 39 49

Grosor (nm)

0

3

6

9

12

15

frecu

en

cia

37

Grosor

(nm)

12.673 8.238 16.293 18.712 8.789

16.017 5.605 21.95 9.802 3.392

5.77 4.94 10.464 6.173 5.731

13.048 5.975 14.571 4.201 2.825

7.377 12.511 13.573 4.792 4.165

17.01 6.362 11.499 3.746 4.431

3.306 7.555 14.033 3.836 9.833

11.922 4.266 6.362 10.909 3.553

7.144 5.435 12.442 9.149

6.231 7.023 8.794 7.774

5.437 3.335 10.309 6.124

Imagen

AFM

Gráfico 15. Datos de AFM ensayos a 15 minutos, grafito y 6V.

Tabla 9. Frecuencias para Grosor (nm)



menor o igual 0 0 0.0000 0 0.0000

1 0 3.42857 1.71429 4 0.0769 4 0.0769

2 3.42857 6.85714 5.14286 20 0.3846 24 0.4615

3 6.85714 10.2857 8.57143 11 0.2115 35 0.6731

4 10.2857 13.7143 12.0 10 0.1923 45 0.8654

5 13.7143 17.1429 15.4286 5 0.0962 50 0.9615

6 17.1429 20.5714 18.8571 1 0.0192 51 0.9808

7 20.5714 24.0 22.2857 1 0.0192 52 1.0000

mayor de 24.0 0 0.0000 52 1.0000

38

Gráfico 16. Histograma tipo polígono ensayos a 15 minutos, grafito y 6V.

Gráfico 17. Histograma ensayos a 15 minutos, grafito y 6V

Tabla 10. Media y valor central de medidas del grosor a 15 minutos, grafito y 6V


Media (nm) 8.6

Histograma

0 4 8 12 16 20 24

Grosor (nm)

0

4

8

12

16

20

frecu

en

cia

39

Grosor

(nm)

18.64 12.541 5.847 6.954 4.379

7.407 33.301 7.231 9.547 2.269

13.368 32.076 7.069 11.521 3.77

8.887 15.023 10.879 20.691 1.703

12.274 17.214 6.381 24.163 3.919

10.171 16.234 6.198 19.44 5.651

8.028 32.19 6.126 20.784 1.841

8.934 23.158 5.187 30.891 2.208

8.546 18.264 6.888 29.624 8.159

10.824 10.954 4.244 18.989 9.464

13.257 23.174 8.521 27.548

Imagen

AFM





menor o igual 0 0 0.0000 0 0.0000

1 0 5.71429 2.85714 10 0.1852 10 0.1852

2 5.71429 11.4286 8.57143 21 0.3889 31 0.5741

3 11.4286 17.1429 14.2857 7 0.1296 38 0.7037

4 17.1429 22.8571 20.0 7 0.1296 45 0.8333

5 22.8571 28.5714 25.7143 4 0.0741 49 0.9074

6 28.5714 34.2857 31.4286 5 0.0926 54 1.0000

7 34.2857 40.0 37.1429 0 0.0000 54 1.0000

mayor de 40.0 0 0.0000 54 1.0000

40


Gráfico 20. Histograma de ensayos a 15 minutos, grafito y 10V.

Tabla 12. Media y valor central del grosor a 15 minutos, grafito y 10V.


Media (nm) 12.9

Histograma

0 10 20 30 40

Grosor (nm)

0

4

8

12

16

20

24

frecu

en

cia

41

.

Grosor

(nm)

53.417 56.254 16.542 18.789 13.235

35.805 53.218 19.254 18.147 18.254

58.28 45.284 20.314 15.425 18.256

30.23 0.486 15.456 25.423 17.846

41.026 0.559 16.638 17.254 19.856

33.525 65.156 18.587 18.562 17.356

33.656 16.973 14.532 17.354 8.082

17.526 0.359 18.529 28.456 58.179

25.94 0.765 28.542 18.542 45.77

35.479 1.707 16.254 17.753 45.712

29.354 20.321 19.235 16.951

Imagen

AFM





menor o igual -3.0 0 0.0000 0 0.0000

1 -3.0 8.42857 2.71429 6 0.1111 6 0.1111

2 8.42857 19.8571 14.1429 26 0.4815 32 0.5926

3 19.8571 31.2857 25.5714 8 0.1481 40 0.7407

4 31.2857 42.7143 37.0 5 0.0926 45 0.8333

5 42.7143 54.1429 48.4286 5 0.0926 50 0.9259

6 54.1429 65.5714 59.8571 4 0.0741 54 1.0000

7 65.5714 77.0 71.2857 0 0.0000 54 1.0000

mayor de 77.0 0 0.0000 54 1.0000

42





Media (nm) 24.7

Histograma

-3 17 37 57 77

Grosor (nm)

0

5

10

15

20

25

30

frecu

en

cia

43

Grosor

(nm)

124.13 18.422 189.306 29.801 92.535

71.165 35.687 84.101 260.042 150.794

93.503 37.897 61.859 216.314 103.814

73.354 18.157 55.652 60.756 61.464

141.228 34.852 111.892 153.843 35.521

130.391 34.654 124.252 115.108 15.406

101.389 37.846 108.559 65.693 176.532

100.266 19.964 100.637 81.066 100.501

20.516 34.562

Imagen

AFM





menor o igual 0 0 0.0000 0 0.0000

1 0 17.6471 8.82353 1 0.0238 1 0.0238

2 17.6471 35.2941 26.4706 8 0.1905 9 0.2143

3 35.2941 52.9412 44.1176 4 0.0952 13 0.3095

4 52.9412 70.5882 61.7647 5 0.1190 18 0.4286

5 70.5882 88.2353 79.4118 4 0.0952 22 0.5238

6 88.2353 105.882 97.0588 7 0.1667 29 0.6905

7 105.882 123.529 114.706 3 0.0714 32 0.7619

8 123.529 141.176 132.353 3 0.0714 35 0.8333

9 141.176 158.824 150.0 3 0.0714 38 0.9048

10 158.824 176.471 167.647 0 0.0000 38 0.9048

11 176.471 194.118 185.294 2 0.0476 40 0.9524

12 194.118 211.765 202.941 0 0.0000 40 0.9524

13 211.765 229.412 220.588 1 0.0238 41 0.9762

14 229.412 247.059 238.235 0 0.0000 41 0.9762

15 247.059 264.706 255.882 1 0.0238 42 1.0000

16 264.706 282.353 273.529 0 0.0000 42 1.0000

17 282.353 300.0 291.176 0 0.0000 42 1.0000

mayor de 300.0 0 0.0000 42 1.0000

44





Media (nm) 87.7

Histograma

0 50 100 150 200 250 300

Grosor (nm)

0

2

4

6

8

frecu

en

cia

45

Grosor

(nm)

8.863 16.505 8.214 10.546 9.729

9.237 1.232 6.258 11.254 13.495

17.437 1.138 5.452 12.842 6.124

9.242 1.681 8.214 10.984 7.213

16.552 2.897 6.327 10.862 4.253

10.693 3.213 7.546 12.546 4.54

15.667 4.124 7.512 13.576 8.524

14.603 5.154

Imagen

AFM





menor o igual -1.0 0 0.0000 0 0.0000

1 -1.0 1.72727 0.363636 3 0.0811 3 0.0811

2 1.72727 4.45455 3.09091 4 0.1081 7 0.1892

3 4.45455 7.18182 5.81818 6 0.1622 13 0.3514

4 7.18182 9.90909 8.54545 10 0.2703 23 0.6216

5 9.90909 12.6364 11.2727 6 0.1622 29 0.7838

6 12.6364 15.3636 14.0 4 0.1081 33 0.8919

7 15.3636 18.0909 16.7273 4 0.1081 37 1.0000

8 18.0909 20.8182 19.4545 0 0.0000 37 1.0000

9 20.8182 23.5455 22.1818 0 0.0000 37 1.0000

10 23.5455 26.2727 24.9091 0 0.0000 37 1.0000

11 26.2727 29.0 27.6364 0 0.0000 37 1.0000

mayor de 29.0 0 0.0000 37 1.0000

46

Gráfico 28. Histograma tipo polígono ensayos a 25 minutos, grafito y 6V

Gráfico 29. Histograma ensayos a 25 minutos, grafito y 6V

Tabla 18. Media y valor central del grosor a 25 minutos, grafito y 6V.


Media (nm) 8.7

Histograma

-1 4 9 14 19 24 29

Grosor (nm)

0

2

4

6

8

10

frecu

en

cia

47

Grosor

(nm)

42.626 54.854 29.322

39.851 42.128 37.932

57.178 64.61 43.06

40.842 81.794 20.952

50.147 36.604

32.835 46.705

43.71 66.988

48.206 27.722

Imagen

AFM


Tabla 19. Tabla de Frecuencias para Grosor (nm).



menor o igual 0 0 0.0000 0 0.0000

1 0 8.57143 4.28571 0 0.0000 0 0.0000

2 8.57143 17.1429 12.8571 0 0.0000 0 0.0000

3 17.1429 25.7143 21.4286 1 0.0500 1 0.0500

4 25.7143 34.2857 30.0 3 0.1500 4 0.2000

5 34.2857 42.8571 38.5714 6 0.3000 10 0.5000

6 42.8571 51.4286 47.1429 5 0.2500 15 0.7500

7 51.4286 60.0 55.7143 2 0.1000 17 0.8500

8 60.0 68.5714 64.2857 2 0.1000 19 0.9500

9 68.5714 77.1429 72.8571 0 0.0000 19 0.9500

10 77.1429 85.7143 81.4286 1 0.0500 20 1.0000

11 85.7143 94.2857 90.0 0 0.0000 20 1.0000

12 94.2857 102.857 98.5714 0 0.0000 20 1.0000

13 102.857 111.429 107.143 0 0.0000 20 1.0000

14 111.429 120.0 115.714 0 0.0000 20 1.0000

mayor de 120.0 0 0.0000 20 1.0000

48


Gráfico 32. Histograma ensayos a 25 minutos, grafito y 10V.

Tabla 20. Media y mediana de medidas del grosor a 25 minutos, grafito a 10V.


Media (nm) 45.4

Histograma

0 20 40 60 80 100 120

Grosor (nm)

0

1

2

3

4

5

6

frecu

en

cia

49

4.5. Diseño Experimental

Para el análisis del diseño de cribado se debe realizar una asignación de máximos y

mínimos de cada variable tal como muestra las tablas 24 y 25 y también como existe

una variable discreta (Tipo de Contraelectrodo) se les asigna arbitrariamente +1 y -1.

Tabla 21. Algoritmo de Yates para la estimación del efecto de cada factor.

Co

rrid

a

Matriz de Diseño de Variables

Algoritmo

Variable Respuesta

1 2 3

Div

iso

r

Esti

mad

o

Ide

nti

fica

ció

n

Tie

mp

o

Con

trael

ectr

od

o

Vo

ltaj

e

Gro

sor

(nm

)

F3 - - - 5.1 13.7 43 109.1 8 13.64 Prom,

F7 + - - 8.6 29.3 66.1 47.7 4 11.93 T

F1 - + - 2.9 47.1 27 -12.5 4 -3.13 C

F6 + + - 26.4 19 20.7 -19.5 4 -4.88 TC

F4 - - + 8.5 3.5 15.6 23.1 4 5.78 V

F8 + - + 38.6 23.5 -28.1 -6.3 4 -1.58 TV

F5 - + + 14.2 30.1 20 -43.7 4 -10.93 CV

F2 + + + 4.8 -9.4 -39.5 -59.5 4 -14.88 TCK

Tabla 22. Efectos estimados para Grosor de la capa (nm).

Efecto Estimado

promedio 13.6375

V:Voltaje 5.775

C:Tipo de Contraelectrodo -3.125

T:Tiempo 11.925

CV -10.93

TV -1.575

TC -4.88

TVC -14.88

50

Gráfico 33. Diagrama de Pareto estandarizada para grosor de la capa.

La tabla 27 y el gráfico 41 nos muestra como la acción de la variable tiempo y tipo de

contraelectrodo tienen un efecto significativo a la hora de realizar la síntesis de grafeno,

así también la combinación de estos dos factores tienen una influencia considerable en la

variable respuesta.

Además el análisis de varianza ANOVA para este experimento arrojaron los siguientes

resultados.

H0 Todas las combinaciones de las variables tienen el mismo efecto.

Ha Al menos una o más combinaciones dan un efecto diferente.

Tabla 23. Análisis de Varianza para Grosor de la capa

Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado

Medio

Razón-F Valor-P

A:Tiempo 284.411 1 284.411 0.64 0.5698

B:Contraléctrodo 19.5313 1 19.5313 0.04 0.8682

C:Voltaje 66.7013 1 66.7013 0.15 0.7642

AB 47.5313 1 47.5313 0.11 0.7984

AC 4.96125 1 4.96125 0.01 0.9328

BC 238.711 1 238.711 0.54 0.5967

Error total 442.531 1 442.531

Total (corr.) 1104.38 7

La tabla de ANOVA muestra como todos los factores y todas las combinaciones tienen un valor

P superior al 0.5 por lo que se rechaza la hipótesis nula y se acepta la alterna, resultado que será

analizado en el siguiente capítulo.

Diagrama de Pareto Estandarizada para Grosor de la capa

0 3

Efecto estandarizado

AC

B:Contraléctrodo

AB

C:Voltaje

BC

A:Tiempo +-

51

Gráfico 34. Curva que describe la interacción entre el tipo de contraelectródo y el

voltaje aplicado.

Optimizar Deseabilidad

Valor óptimo = 1.0

Tabla 24. Combinación más favorable para el experimento.

Factor Bajo Alto Óptimo

Tiempo (min) 15.0 25.0 16.4

Contraelectródo Grafito Platino Platino

Voltaje (V)544 6.0 10.0 6.5

Tabla 25. Valor calculado de respuesta óptima de la combinación idónea.

Respuesta Óptimo

Grosor de la capa (nm) 2.6

Esta tabla 25 muestra la combinación de niveles de factores que maximiza la función de

‘deseabilidad’ en la región indicada del gráfico 34. También muestra la combinación de

factores a la cual se alcanza el valor óptimo de grosor de capa.

Superficie de Respuesta EstimadaVoltaje=8.0

15 17 19 21 23 25Tiempo

-1-0.6

-0.20.2

0.61

Contraléctrodo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Deseab

ilid

ad

52

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES.

5.1. Conclusiones.

El desarrollo de esta investigación tuvo como objetivo encontrar la combinación

de las tres variables de estudio con la cual se obtendrá grafeno de menor grosor y

con mejores características, para lo cual el uso del programa Statgraphics

Centurion en el diseño y análisis del experimento permitió graficar la función que

describe este fenómeno que se muestra en el gráfico 34.

Realizando una interpolación gráfica se determinó que las condiciones adecuadas

para que el grosor de la capa alcance sus valores más bajos son las indicadas en

la tabla 25 factores que maximizan la función de ‘deseabilidad’ en la región

indicada del gráfico 34 siendo este el valor óptimo de grosor de capa.

Además el programa da un estimado del valor más bajo que se puede obtener con

este método de síntesis que es de 2.6 nm, que es un grosor de capa bastante bajo

y está en el rango de los resultados obtenidos por otros métodos de obtención de

grafeno.

Otra parte importante que podemos observar es como la combinación de estas

variables no afecta al grado de oxidación del grafeno; esto podemos concluirlo en

base a los resultados de Uv-Vis e IR dónde en el primero todos los ensayos

presentan el pico de grafeno aproximadamente a los 240 nm que como se indica

en el marco teórico corresponde a un grafeno con alto grado de oxidación,

resultado que también se sustenta con los picos de infrarrojo que señalan que

existen casi todos los grupos oxigenados en los distintos tratamientos.

Al final se logró desarrollar las condiciones óptimas ya que el valor de la variable

respuesta indica que estamos en el rango de grafeno (1 a 10 nm) ya que superior

a este el material sigue siendo grafito.

Por último se debe analizar como las absorbancias de las distintas combinaciones

no supera el valor de 1.181 y siendo este un parámetro cuantitativo se puede

concluir que este método solo permite la exfoliación a nivel de capas de grafeno

de una cantidad determinada de material y que sin importar si el tiempo es mayor

no se producirá más material, por lo que este sería una de las limitantes de este

procedimiento.

53

5.2. Recomendaciones.

Para complementar lo realizado en esta tesis se recomienda variar los tiempos de

sonicación y centrifugación que pueden tener efecto sobre todo en la cantidad de

material suspendido.

También se debería probar qué técnica de reducción de grafeno sería la adecuada

para aplicarla a las muestras obtenidas por este método, sobre todo si se

encuentran aplicaciones que requieren bajos niveles de oxígeno en el grafeno a

depositar.

54

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56

ANEXOS

Anexo 1. Diagrama Causa Efecto.

57

Anexo 2. Diagrama de flujo (Parte experimental).

Síntesis de Grafeno Vía Electroquímica

PESAR• Grafito Foil inicial

MEDIR• 50 ml H2SO4 0.1M

ARMAR• Sistema Electroquímico

EXFOLIAR• Tiempo, voltaje y contraelectrodo deseado

FILTRAR AL VACÍO

•Para retirar el ácido

RECUPERAR PRECIPITADO

•Con agua destilada

SONICAR

•100 minutos

CENTRIFUGAR

•4500 RPM 45 min.

SEPARAR

•Sobrenadante

GUARDAR

PESAR

•Grafito foil restante

CARACTERIZAR

58

Anexo 3. Ficha de registro de datos.

Anexo 4. Instrumento de recolección de datos.

SÍNTESIS ELECTROQUÍMICA DE GRAFENO

No ensayo: Día Mes Año

Fecha:

Datos Unidades

Peso grafito foil inicial: gramos

Voltaje aplicado: voltios

Tiempo: minutos

Contraelectrodo: *

Temperatura de ensayo: C

Peso inicial papel filtro: gramos

Peso final papel filtro: gramos

Peso grafito foil final: gramos

Velocidad de Centrifugación: RPM

Tiempo de centrifugación: minutos

Observaciones:

Documents

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORMicroscopio de fuerza atómica (AFM), la espectroscopia Ultravioleta visible (Uv-Vis) e Infrarroja (IR) cuyos datos permitieron determinar que la combinación