Síntesis y caracterización de nanoestructuras de carbono a partir de caucho aplicando principios de química verde

Abstract

Currently, the interest to develop carbon nanomaterials by sustainable way has been growing considerably due to the important advances in the development of new materials, products and technologies. The types of carbon nanostructures mainly synthesized and reported are: carbon nanotubes, nanospheres, nanobeads and nanobars; the properties attributed to these materials provide new features to conventionally used materials. These nanometric structures can generate new materials with unique properties to be used in applications for the development of flexible conductive films, coatings, sensors, antistatic devices, scaffolds for tissue growth and many more applications in various branches. The present research shows the results of carbon nanospheres synthesis considering the principles of green chemistry and the Taguchi’s design of experiments, in order to prove the use of natural rubber as a carbon sustainable source. Chemical Vapor Deposition (CVD) synthesis method was used with a quartz tube reactor with one and two furnaces. The synthesis temperatures were 750, 800 and 850ºC with 10 ml / min argon carrier gas flow and steel bar AISI 304 as catalyst. The samples obtained were characterized by scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and Raman spectroscopy. It was possible to synthesize solid carbon nanospheres with different diameters and high carbon atomic percentages. Likewise, the main functional groups and characteristic bands of carbon nanomaterials with a high level of graphitization and few defects were found, testing the efficiency of the design of experiments in the synthesis and evaluation of new precursors, besides as proposing to a possible solution for nanostructures generation in a sustainable way.

En la actualidad, el interés por desarrollar nanomateriales de carbono de manera sustentable ha ido creciendo considerablemente debido a los importantes avances en el desarrollo de nuevos materiales, productos y tecnologías. Los tipos de nanoestructuras de carbono principalmente sintetizadas y reportadas son: nanotubos de carbono, nanoesferas, nanobeads y nanobarras; las propiedades atribuidas a estos materiales proporcionan nuevas características a los materiales convencionalmente utilizados. Estas estructuras nanométricas pueden generar nuevos materiales con propiedades únicas para ser usados en aplicaciones para el desarrollo de películas conductoras flexibles, recubrimientos, sensores, dispositivos antiestáticos, andamios para crecimiento de tejido y muchas aplicaciones más en diversas ramas. La presente investigación muestra los resultados de la síntesis de nanoesferas de carbono tomando en cuenta los principios de la química verde y el diseño de experimentos de Taguchi, con la finalidad de probar el uso de caucho natural como fuente sustentable de carbono. El método de síntesis utilizado fue el de deposición química de vapor (CVD) con un reactor de tubo de cuarzo a uno y dos hornos. Las temperaturas de síntesis se trabajaron entre 750 y 850ºC con un flujo de gas argón como gas de arrastre a 10ml/min y una barra de acero AISI 304 como catalizador. Las muestras obtenidas se caracterizaron mediante la microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de energía dispersa, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y la espectroscopía Raman. Fue posible sintetizar nanoesferas de carbono sólidas con diferentes diámetros y altos porcentajes atómicos de carbono. Así mismo, fueron localizados los principales grupos funcionales y las bandas características de los nanomateriales de carbono con un alto nivel de grafitización y pocos defectos, probando la eficiencia del diseño de experimentos en la síntesis y evaluación de nuevos precursores, además de proponer una posible solución para la generación de nanoestructuras de forma sustentable.