Obtencion de grafeno

1.-Presentacion

2. - Introduction: En este trabajo se presenta un estudio de la capacidad de desoxigenación de dos reductores químicos, el ácido ascórbico (vitamina C) y el borohidruro de sodio hacia el óxido de grafito (GO), siendo éste un precursor para la obtención de grafeno. Se estudió la estructura química del grafeno químicamente modificado (CMG) obtenido después de la reducción del GO por diferentes técnicas espectroscópicas tales como la espectroscopía de UV-vis(200-800nm) y espectroscopía de infrarrojo (FTIR). Se encontró que la estabilidad coloidal del CMG resultante no solamente depende de la efectividad del reductor si no también es fuertemente dependiente del pH.

3.- Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricación de aviones, satélites espaciales o automóviles, haciéndolos más seguros. También en la construcción de edificios, pues los haría más resistentes.  Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía puede dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes. En el ámbito de la salud. Las prótesis de grafeno podrían sustituir a las actuales. O incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades.

4.- Fulereno: Durante las últimas tres décadas los materiales  a base de carbón han llamado la atención debido principalmente a las excepcionales propiedades electrónicas y mecánicas que presentan. El fullereno es una estructura cero dimensional (0D) con un diámetro aproximado de 1 nanómetro, cuyo arreglo de átomos de carbono asemeja a un balón de futbol. Este material ha adquirido gran importancia debido a que era un nuevo alótropo del carbono y a diferencia del diamante y del grafito, podría ser procesado en solución, lo que impulsó su aplicación en dispositivos electrónicos.

5.- Nanotubulos: Los nanotubos de carbono  fueron descubiertos por el Dr. Endo en 1976 y posteriormente fue publicado un artículo en la revista Nature por el Dr. Iijima en 1991, generando gran interés por sus propiedades mecánicas. Estas son estructuras 1 dimensional (1D) debido a que la longitud se sale de la escala de los 100 nm alcanzando dimensiones de varias micras manteniendo su diámetro en la escala nanometrica. Los CNTs, son las estructuras a base de carbón más conocidos y han mostrado tener excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, actualmente hay una gran variedad de productos que contienen NTC.

6.-   Novoselov y Geim en 2004, lograron aislar la hoja de grafeno. Esta clase de carbón es una estructura dos dimensional (2D) ya que puede tener una superficie de hasta varios centímetros cuadrados, mientras que el espesor de la hoja es de un átomo de carbón. El retraso en el descubrimiento del grafeno puede atribuirse en gran parte a la naturaleza de que las hojas tienen un átomo de espesor, se creía inicialmente que era termodinámicamente inestable, sin embargo, el grafeno no sólo es estable, sino también exhibe impresionantes propiedades mecánicas y electrónicas. Además, el grafeno puede obtenerse en grandes cantidades mediante procesos mecánicos y químicos simples. En la actualidad, han sido desarrollados varios métodos para la producción de grafeno. Uno de ellos es la exfoliación mecánica, el cual incluye hacer la exfoliación con cinta adhesiva o someter hojuelas de grafito a ultrasonido. Este procedimiento es laborioso y la probabilidad de encontrar hojas grandes y aisladas de grafeno suele ser baja. También existen métodos que producen grafeno mediante el crecimiento epitaxial de las hojas individuales como la técnica de deposición química de vapor de monocapas de grafeno. Estos son los métodos más atractivos para la industria electrónica debido a que típicamente su puede obtener una hoja de grafeno con una superficie de varios centímetros cuadrados. Sin embargo, estos métodos requieren ya sea de condiciones de alto vacío o de sistemas especializados y aunque los avances recientes han facilitado el camino hacia la generación de monocapas de grafeno con grandes superficies, estos métodos aún no se han desarrollado completamente.

7.- Reducción del óxido de grafito sin reductor (RGO) Se dispersó GO (1 mg-mL-1) en agua desionizada y se agitó mecánicamente durante 1 h para obtener una solución homogénea. La solución se colocó en un baño de aceite a 90°C durante 24 h, sin ninguna clase de reductor. Este producto se congeló y después se secó con el liofilizador. El polvo obtenido se utilizó para hacer las caracterizaciones pertinentes.

8.-Obtención del grafeno químicamente modificado (CMG): se agitó mecánicamente durante 1 h para obtener una solución homogénea. Posteriormente se adicionó el agente reductor, en donde la concentración final del reductor en la dispersión de GO fue de 10 mM para el borohidruro (BH) y 2 mM para el ácido ascórbico (VC). La mezcla de la reacción se colocó en un baño de aceite a 90°C durante 24 h. La reducción del GO precipita gradualmente como un sólido negro. Este producto fue lavado con abundante agua y después se secó mediante liofilización. El polvo obtenido se utilizó para hacer las caracterizaciones pertinentes.

9.-Reducción térmica del óxido de grafito (TRGO) 5 mL de la dispersión acuosa del GO (1 mg-mL-1) se adicionaron en un matraz Erlenmeyer de 500 mL y se dejó secar a temperatura ambiente. El GO formó una película en el fondo del matraz que se calentó con un mechero durante 2 minutos. Una vez terminada la reacción la película experimentó un cambio en la coloración, de color marrón a negro. La película obtenida de color negro se almacenó para su posterior caracterización.

10.-Cracterizacion: Se realizaron análisis de espectroscopía de infrarrojo, para esto cada una de las muestras fue mezclada con Bromuro de potasio para formar una pastilla transparente. Los espectros fueron adquiridos en modo de transmisión con una resolución de 4 cm-1 utilizando un espectrofotómetro. Se analizaron las muestras dispersadas en medio acuoso mediante espectroscopía de UV-vis. La morfología se observó en un microscopio electrónico de barrido, operado a 8 KV y a una distancia de trabajo de 5 mm. Se preparó una pastilla de CMG con una prensa mecánica para medir la resistencia eléctrica del material la cual se obtuvo por el método de cuatro puntas a temperatura ambiente

11.- Durante la reacción de reducción, la dispersión de color marrón de GO sufre un cambio en la coloración tomando un color negro y para todos los casos se observa la formación de agregados, lo cual está asociado a la pérdida de estabilidad coloidal. Sin embrago, es posible notar que el CMG obtenido con borohidruro de sodio y el RGO son los que presenta una mayor tendencia a la dispersión. Esta diferencia en la capacidad de dispersión puede ser atribuida principalmente a dos factores, la estabilización electrostática para el CMG con borohidruro y a la presencia de grupos a base de oxígeno (hidroxilos, carboxílicos, éter) remanentes que incrementen la polaridad del CMG. La estabilización electrostática del CMG ha sido reportada previamente y es fuertemente afectada por cambios en el pH de la solución. Se midió el pH de todas las dispersiones resultantes y se observó que la dispersión del CMG obtenida utilizando borohidruro de sodio presenta un pH de 9, mientras que aquella obtenida utilizando ácido ascórbico tiene un pH de 5, lo que sugiere que el CMG es dispersable a valores de pH básicos (figura 3a), debido a la presencia de grupos carboxílicos residuales. Esto se pudo corroborar modificando el pH a 11 de la dispersión acuosa del CMG reducida con ácido ascórbico y se observó un cambio en la dispersabilidad, siendo muy similar al obtenido utilizando borohidruro de sodio como reductor (figura 3b). Esto es un indicativo de la estabilización electrostática del CMG a valores de pH básicos

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