INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

ENSAMBLE Y CONTROL DEL SISTEMAFUENTE-REACTOR PARA SINTESIS DE NANOFIBRAS

BASADO EN PROPIEDADES DE MATERIALES DE CARBONOPARA ELABORACIÓN DE FILTROS DE

ABSORCIÓN DE GASES

OPCIÓN XMEMORIA DE RESIDENCIA PROFESIONAL

INGENIERÍA MECATRÓNICA

PRESENTA:

RICARDO HERNÁNDEZ CEDILLONUMERO DE CONTROL 10280503

ASESOR EXTERNO: DR. RICARDO VALDIVIA BARRIENTOSASESOR INTERNO: DR. GILBERTO PIÑA PIÑA

METEPEC, ESTADO DE MÉXICO, JULIO 2012

S.E.P. S.N.E.S.T D.G.E.S.T.

Agradecimientos

Deseo agradecer a Dios por la experiencia adquirida, la sabiduría que me ha dado y la dicha del conocimiento.

Gracias a mis padres por darme la vida, por todo su esfuerzo, cariño, impulso y apoyo incondicional para la realización de una carrera.

A mi querida esposa Anyuli Islas por su sacrificio y su apoyarme día a día con mucho amor, gracias por enseñarme a dar, a creer y sentir, a mi hija Astrid por llegar a iluminar mi vida.

A mis asesores, el Dr. Ricardo Valdivia Barrientos del laboratorio de Aplicaciones de Plasma (LAP) del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) y al Dr. Gilberto Piña Piña del Instituto Tecnológico de Toluca (ITT) por sus invaluables enseñanzas y consejos pero sobre todo por amistad.

Asimismo quiero expresar mi agradecimiento al Dr. Joel O. Pacheco Sotelo por su asesoría técnica y científica, a Carlos Rivera, Fidel Ramos, Marquidia Pacheco, Miguel Durán y Miguel Hidalgo, gran equipo de trabajo que siempre mostro apoyo incondicional.

Hago extensivos mis agradecimientos al Instituto Tecnológico de Toluca (ITT) y sus profesores por la formación académica que recibí en sus aulas y laboratorios.

Al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares por permitirme realizar este proyecto de residencia profesional en sus instalaciones y por permitirme el acceso a la infraestructura necesaria para la realización de este proyecto.

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Resumen

La producción de Nanofibras de Carbono (NFC) por diversas técnicas como el arco eléctrico, ablación láser, o deposición química en fase vapor, entre otras, han sido empleadas desde finales de los 90’s hasta la fecha. Sin embargo, el método de síntesis por descarga de arco Glow de corriente alterna y alta frecuencia desarrollado por Pacheco y colaboradores, es una alternativa más para su obtención.

En el Laboratorio de Aplicaciones de Plasma (LAP) del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) se diseñó y fabrico un reactor de corriente directa a alta corriente que sea capaz de sostener un arco eléctrico capas de sintetizar Nanofibras de Carbono. Se realiza la síntesis de nanofibras con diferentes catalizadores y con distintas condiciones de presión de vacío y flujo de metano hasta obtener las mejores muestras de nanofibras y para ello, dichas nanoestructuras son caracterizadas por Microscopia de Barrido, Microscopia de Transmisión, y Difraccion de Rayos X.

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Índice Agradecimientos iResumen iiÍndice iiiÍndice de Figuras vÍndice de Tablas vi

Capitulo 1. Introducción 11.1 Antecedentes 1

1.1.1 Historia del arte y estado de las nanofibras de carbono 11.2 Planteamiento de problema 51.3 Objetivos 6

1.3.1 Objetivo General 61.3.2 Objetivos Específicos 6

1.4 Justificación 61.5 Hipótesis 7

Capitulo 2. Fundamentos teoricos del estudio del arte de las nanofibras de carbono. 82.1 Grafica universal Corriente-Voltaje para descargas eléctricas 82.2 Técnicas de Síntesis de las Nanofibras de carbono 9 2.2.1 Síntesis y Producción de Nanofibras de Carbono 9

2.2.2 Ablación láser 92.2.3 Deposición química en fase vapor (CVD) 102.2.4 Plasma con Radio-Frecuencia (r.f. CVD) 122.2.5 Síntesis por Flama. 122.2.6 Antorcha de Plasma 122.2.7 Catálisis flotante 122.2.8 Proceso por Conversión de Monóxido de Carbono a Alta presión (HiPCO). 132.2.9 Arco Eléctrico 132.2.10 Método de síntesis por Arco-Glow en un plasma generado por descarga de ac en alta frecuencia. 14

2.3. Caracterización del Subproducto. 15 2.3.1. Microscopía Electrónica de Transmisión (MET) 15 2.3.2. Preparación de las Muestras para MET. 17 2.3.3 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). 17 2.3.4 Preparación de las Muestras para el MEB. 19

2.3.5 Análisis de Nanofibras de Carbono por Difracción de Rayos X (DRX). 20 2.3.6 Preparación de las Muestras para DRX. 22

2.4. Corriente directa. 22 2.4.1. Fuentes de Corriente Continua. 24

Capitulo 3. Desarrollo. 253.1Transfromador Variable. (Variac) 253.2 Transformador. 273.3 Puente rectificador. 28

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3.4 Interruptor Termomagnético. 303.5 Capacitores. 313.6 Bobinas. 323.7 Reactor y Sistema de Crecimiento de Nanofibras de Carbono 333.8 Diagrama a bloques del Procedimiento Experimental 363.9 Condiciones optimas de desarrollo para las NFC. 373.10 Tablas de Pruebas 1-2 383.11 Resistencia (Cálculos e Instalación). 393.12 Optimización de la tapa del reactor con sistema de enfriamiento. 403.13 Prueba número 5 con catalizador. 423.14 Cambio del Reactor. 453.15 Prueba 6 y 7 con nuevo reactor. 46

Capitulo 4 Resultados. 494.1 Resultados del MEB de la prueba 4. 494.2 Resultados en MEB de la prueba 5 494.3 Resultados en DRX de la prueba 5 504.4 Resultados en DRX de la prueba 6 y 7 524.5 Resultados en TEM de la prueba 6 y 7. 53

Capitulo 5. Conclusiones y Recomendaciones. 57 5.1 Conclusiones. 575.2 Recomendaciones. 575.3 Matriz de Comparación. 58

Glosario. 60Bibliografía y Referencias. 63

Anexos. Futuros análisis de las nanofibras de carbono optimizadas 75A.1. Espectrometría Raman 75

A.1.1. Preparación de las Muestras para Espectroscopia Raman. 77A.2. Análisis Termogravimétrico 78A.3. Purificación de las Nanofibras de Carbono 80A.4. Equipo Experimental para la Contaminación 81A.5. Análisis cuantitativo de la muestra del electrodo. 81

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Índice de figuras

2.1. Gráfica universal voltaje-corriente para descargas eléctricas.2.2. Parte central de un reactor de Vaporización Láser [Gu-1995].2.3. Generación de Nanofibras de carbono por Deposición Química en fase

Vapor [Es-2005].2.4. Reactor de arco Glow de ac.2.5. Esquema de un MET.2.6. Microscopio Electrónico de Transmisión JEOL 2010.2.7. Electrones y radiación producida en una muestra debido a la incidencia de

un haz electrónico.2.8. Esquema general de un MEB.2.9. Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-5900LV.2.10. Difracción de Rayos X sobre un material cristalino.2.11. Diagrama de las partes básicas de un de un DRX.2.12. Difractómetro D500 Siemens Nixdorf.2.13. Flujo de corriente eléctrica.2.14. Fuente FEM.2.15. Fuente FEM. a) Voltaje positivo, b) Voltaje negativo por inversión de polos.3.1. Esquema de un Variac y sus partes principales.3.2. Estructura y conexiones del Variac.3.3. Esquema eléctrico del Variac.3.4. Conexión Delta-Estrella. 3.5. Diagrama de Conexión del Transformador. a) 6 conexiones. b) 3 fases.3.6. a) Diagrama Eléctrico y dimensiones del SCR/Diodo, b) Forma Física del

SCR/Diodo.3.7. Estructura interna del Interruptor Termomagnético.3.8. Diagrama Magnético y Térmico del interruptor.3.9. Capacitor electrolítico 2000 uf a 150 VDC.3.10. Reactor para producción de nanofibras de carbono por arco eléctrico a alta

corriente.3.11. Reactor utilizado para producción de nanofibras de carbono.3.12. Sistema completo utilizado en LAP para el crecimiento de nanofibras de

carbono.3.13. Esquema General del Procedimiento Experimental.3.14. Resistencia de .612ohms de alta corriente.3.15. Tapa del reactor.3.16. a) Techo del reactor recubierto de carbón, b)Piso recubierto de carbón,

c)Paredes recubiertas de carbón, d)Tubo de inyección de gases recubierto de carbón.

3.17. Proceso de la prueba .a) electrodo al rojo vivo por la gran cantidad de corriente suministrada. b) gran cantidad luminiscente del arco eléctrico.

3.18. Mediciones de la prueba 5.a) Flujometro. b) Voltímetro analógico. c) Barómetro. d) Amperímetro de gancho.

3.19. Producto en Paredes y Electrodos. a) Techo con restos de carbono) Electrodo. c) Superficie del reactor.

3.20. Nuevo sistema utilizado en LAP para el crecimiento de nanofibras de carbono.

3.21. Proceso de la prueba 6.a)Mirilla superior b),c),d) Mirilla frontal.

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3.22. Procesos de la prueba 7.a) Arco eléctrico desde mirilla y reflejo. b) Luminosidad expedida del reactor.

4.1. Muestra 1 Paredes 13-06-124.2. Imágenes MEB de la Prueba 5. a) Aumento 250 X. b) Aumento 1000 X. c)

Aumento 5000 X. d) Aumento 10000 X.4.3. Difractograma de XRD sobre poniendo 5 graficas indicando parámetros y

condiciones similares.4.4. Patrones de difracción para nanofibras obtenidas en el LAP.4.5. Patrones de difracción para nanofibras reportadas por W. Xia4.6. Patrones de difracción para nanofibras obtenidas en el LAP en la Prueba 7.4.7. Micrografías MET para nanofibras de carbono reportadas por Boskovic y

De Chen 4.8. Micrografía TEM de un segmento de nanofibra optimizada.4.9. Nanofibra de carbono tipo bambú.

A.1. Energías Rayleigh y RamanA.2. Espectrómetro de dispersión Raman HR LabRam 800.A.3. Espectro Raman típico de nanoestructuras de carbono [Ol-2004].A.4. Esquema general de un TGA.A.5. Curva de análisis termogravimétrico para un nanotubo purificado.A.6. TGA y DTGA para un SWCNT purificado [Pa-1993].A.7. Cámara para contaminación de nanofibras.A.8. Análisis cuantitativo con Carbono.A.9. Análisis Cuantitativo sin carbono.

Índice de tablas

3.1. Especificaciones del Transformador Variable.3.2. Derivación de Alta Tensión y Baja Tensión3.3. Características eléctricas del SCR/Diodo.3.4. Prueba 1-23.5. Prueba 33.6. Prueba 43.7. Peso de electrodos y catalizador.3.8. Prueba 53.9. Peso de los electrodos después de la prueba 53.10. Peso de electrodos y catalizador del aprueba 63.11. Parámetros de la prueba 6.3.12. Parámetros de la prueba 7

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CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

Las Nanofibras de Carbono (NFC) son una clase de nuevos materiales de carbono muy promisorios, debido a sus propiedades mecánicas, electrónicas y químicas de las nanofibras tienen un enorme potencial de aplicaciones como la catálisis, soporte de catalizador, fabricación de nanocompósitos, materiales adsorbentes, sensores de gases, entre muchas más. Las investigaciones sobre estas nanoestructuras de carbono están en franco crecimiento. Hoy en día comienza a ser posible su producción a una mayor escala y una extensa cooperación internacional sobre producción y aplicaciones de NFC ha empezado a desarrollarse en el mundo.

Por lo anterior se ha dado pie a este trabajo de la síntesis de nanofibras de carbono, partiendo desde el ensamble de una fuente de corriente directa de alta corriente que nos ayudar a la degradación de dos electrodos de grafito, y de la misma manera se hará el estudio de las características idóneas para creación de las NFC basándonos en experimentos y estudios anteriores. La caracterización del subproducto es un apartado de suma importancia ya que nos ayudara a saber si las NFC son de buena calidad y cantidad, para su estudios nos apoyamos de 3 diferentes técnicas que son MET, MEB y DRX.

1.1 Antecedentes

En el siguiente apartado se mencionaran los acontecimientos e investigaciones que dieron pie a la síntesis de nanofibras de carbono.

1.1.1 Historia y Estado del arte de las Nanofibras de Carbono

En 1889, el primer escrito referente a la producción de filamentos de carbono lo llevaron a cabo Hugues y Chambers [Hu-1889] quienes patentaron en Estados Unidos la fabricación de filamentos de carbono utilizando como gases precursores hidrógeno y metano en un crisol de hierro. La primer fibra de carbono fue preparada por Thomas Alba Edison en su búsqueda para encontrar un filamento incandescente para lo que después se conocería como foco. En 1892 Edison patentó su proceso para la producción de fibras de carbono en forma de bobina a partir de la pirolisis de tallos de algodón y bambú, los cuales se convertían en filamentos resistivos de carbón que podían ser calentados óhmicamente [Ed-1892]. Por su parte, Schützenberger y Pelabon en 1890 y 1905 respectivamente, estudiaron filamentos de carbono mediante crecimiento de vapor producidos por la descomposición térmica de hidrocarburos [Sc-1890][Pa-1905]. Ya en el siglo XX, específicamente en la década de los 50’s, la industria aeronáutica necesitaba materiales más resistentes, rígidos, con alta temperatura de fusión y poco peso, entre otras propiedades mecánicas y térmicas necesarias para mejorar la navegación aérea, lo cual condujo a la síntesis de materiales compuestos de fibra de carbón a base de polímeros precursores como el rayón ó el poliacrilonitrilo.

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Gracias al desarrollo de los microscopios electrónicos de transmisión (TEM) desde finales de los años cuarentas, se lograron obtener cada vez mejores resoluciones a escalas nanométricas, hasta que en 1953 se publicaron en la revista Nature las primeras fotografías de nanofibras de carbono hechas por Davis, Slawson y R. Rigby [Da-1953] quienes produjeron filamentos entre 100 y 200 nm. de forma helicoidal, a partir de monóxido de carbono por hierro a 450 ºC observando que se producía carbono amorfo y carburos de hierro.

En 1958 Hillert y Langerealizan una caracterización estructural exhaustiva de filamentos de carbono, corroborando la presencia de una partícula metálica en la punta con diámetros entre 10 y 100nm y una estructura altamente grafítica. Al final de los años cincuenta y durante los sesentas, compañías como la Union Carbide, Aerospace Corporation y varios laboratorios más alrededor del mundo se empezaron a interesar en las nanofibras de carbono y emprendieron investigaciones novedosas. En 1959 Singer y Grumer mostraron la existencia de nanofilamentos [Si-1959] de carbón huecos sobre una rejilla de acero colocada sobre una flama de propano, ellos descompusieron acetileno en presencia de un catalizador de níquel. Para el año 1960 Roger Bacon de Union Carbide, produjo fibras y nanotubos de carbono de 10 a 200 nanómetros de diámetro con un arco eléctrico mientras estudiaba el carbón en condiciones cercanas a su punto triple, observó tubos huecos y rectos de carbón que parecían consistir de capas huecas de carbón en su forma alotrópica de grafito que estaban separadas por la misma distancia como capas o planos de grafito enrollados [Ba-1973].

La síntesis de fibras de carbón producidas por descomposición química en fase vapor (Chemical Vapor Deposition o CVD) empezaron a asentar las bases de los mecanismos y la termodinámica para el crecimiento de las fibras de carbón [Ko-1973]. Durante las siguientes dos décadas otros investigadores se enfocaron en el control del proceso para la síntesis de fibras de carbono en fase vapor VGCNF´s [No-1972] [En-1976] [Ti-1983] [Ti-1984]. En los 60’s, Irving Langmuir y Catherine Blodgett lograron producir películas a base de carbono, con una alta periodicidad a escala nanométrica. El crecimiento de nanobarras de carbono por el método vapor-líquido-sólido fue divulgado en el principio de los años 60 y al término de ese decenio y hasta finales de los 70`s los esfuerzos para desarrollar nuevos materiales sintéticos de carbón con propiedades similares a los de un cristal individual de grafito condujeron en 1962 a Ubbelohde y colaboradores al descubrimiento del Grafito Pirolítico Altamente Orientado (HOPG) y se consideró como una nueva nanoestructura del carbono [Dr-1988][Mo-1962][Bl-1962].A partir de 1970 se estudió de forma muy intensiva la generación de filamentos de carbono catalíticos a partir de distintos precursores (hidrocarburos o CO2) y metales (Fe, Co, Ni, etc.) donde destacaban dos grupos principales de trabajo: el grupo de RTK Baker del Departamento de Energía Atómica Británico quien utilizó mezclas de acetileno e hidrógeno, con diferentes metales catalizadores (Ni, Co, Fe, Cr) y propusieron un modelo de crecimiento en el que el hidrocarburo se difundía a través de la partícula metálica debido a un gradiente de temperatura, condensando el carbono. Este grupo definió estos materiales como filamentos de carbono para diferenciarlos de las fibras de carbono convencionales. Otro grupo importante es el de Oberlin, de la Universidad de Orleáns, donde realizó la Tesis Doctoral.

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Moriboru Endo. En el singular trabajo de Oberlin, Endoy Koyamade 1976, se habla de fibras de carbono, que eran formadas a partir de mezclas de benceno e hidrógeno con hierro elemental, a temperaturas mayores a 1000ºC; en este trabajo, se detalla y presenta un análisis por microscopia electrónica de transmisión (TEM) y mencionaron que la fibra consistía en un filamento catalitizado con los planos grafíticos totalmente ordenados formando estructuras similares a los “anillos de tronco de árbol” (tree rings) y un recubrimiento formado por un engrosamiento de carbono no catalítico, menos ordenado, pero con sus planos también orientados y paralelos al eje. Ellos también propusieron un modelo de crecimiento del filamento interior catalítico, en el que la formación era por difusión de carbono por los bordes de la partícula.

Ya en el año 1971 y 1972 se lograron obtener fibras de carbono por descomposición térmica de hidrocarburos [Ba-1960] [Me-1978b] [Ko-1972] [Ko-1971] vaporizados en presencia de catalizadores metálicos como el níquel. A mediados de esta época, la nanotecnología empezó a ganar popularidad en el mundo, el crecimiento en fase vapor para fibras de carbono de unos cuantos micrómetros fue reportado y se utilizo el microscopio electrónico de efecto túnel con alta resolución para caracterizar dichas nanofibras [Ob-1976] [Ob-1976] [En-1977].

Una vez llegados los años 80´s, el microscopio de efecto túnel permitió por primera vez observar superficies con resolución atómica y dio pie a los microscopios de proximidad que son capaces de medir propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas con gran precisión a escala nanométricas y permiten manipular la posición de los átomos o moléculas sobre una superficie. Los progresos tecnológicos, como el nuevo microscopio de fuerza atómica (AFM), los microscopios multimodales y los equipos mejorados de espectrometría y difracción, se desencadenaron mejorando ampliamente el trabajo experimental, igualmente, las técnicas para obtener fibras también se estaban mejorando. George Tennent de Hyperion Catálisis publicó en 1987 una patente en Estados Unidos para fibras grafíticas de núcleo hueco “hollowcore fibrils”. Para mediados de los ochentas los microscopios electrónicos de transmisión podían amplificar objetos casi un millón de veces su tamaño, mientras los actuales tienen una amplificación de hasta de 2 millones de veces. El microscopio electrónico de barrido (SEM) también se desarrolló a gran velocidad en forma paralela, proporcionando menos amplificación que el TEM, pero, contaba con imagen por computadora.

Con el acoplamiento de analizadores de dispersión de energía de Rayos X (EDXA) o espectrómetros, como el de pérdida de energía, y la adición de alta resolución, ahora el TEM era capaz de realizar análisis elementales para identificar los elementos que contenían las muestras. La mayor cobertura experimental de las investigaciones de los filamentos de carbono con un diámetro cada vez menor condujo al descubrimiento de los fulerenos realizado por Kroto, Samalley y colaboradores [Fr-1985]. A su vez, las investigaciones en fulerenos y nanofibras, dieron pie al posterior descubrimiento de los nanotubos de carbono [Su-1991].

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Al comienzo del siglo XXI, la nanotecnología es ya una realidad, las nanofibras como parte de ella se presenta con más y mejores estudios, del 2000 al 2003 Vander, sintetizaron nanoestructuras con catalizadores en aerosol [Va-2003a][Va-2004a][Va-2004b][Va-2002a][Va-2001a] [Va-2001b] así como Seny Puri [Se-2004] sintetizaron nanofibras de carbono que contenían partículas metálicas encapsuladas.

En el 2004, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos anunció que era necesario enfocar la investigación en nanociencia y nanotecnología hacia los problemas ambientales en tópicos como remediación, tratamiento y sensores. La NASA se sumó a la lista de interesados en cuestiones ambientales y está diseñando un diminuto sensor que puede detectar cantidades tan pequeñas como unas pocas partes por mil millones de sustancias químicas específicas tales como gases tóxicos, así como ellos, se han aunado más instituciones y compañías en cuestiones de contaminación [Va-2003b][Ma-2003]. Se ha desarrollado un enorme interés en la adsorción de gases en las nanoestructuras de carbono desde 1997, incrementándose significativamente a principios de siglo y continúa hasta hoy en día. Muchas de estas investigaciones están encaminadas hacia los sensores y catalizadores[Di-1997][Jo-2000][Da-1999][Ko-2000][Co-2000][Ta-2000a][Su-2000] [Fu-2001][Ma-2001][Zh-2002][Li-2007].

En Estados Unidos inclusive se ha conformado la Iniciativa Nacional de Nanotecnología. Las grandes compañías como Phillips, Motorola, HP, Intel, NEC, BASF e IBM, entre otras, están cada vez más comprometidas con la investigación y desarrollo de la Nanotecnología. Actualmente, alrededor de 40 laboratorios en todo el mundo canalizan grandes cantidades de dinero para la investigación en este ramo. Algunos países en vías de desarrollo ya destinan importantes recursos a la investigación en Nanotecnología ya que la nanomedicina es una de las áreas que más puede contribuir al avance sostenible del Tercer Mundo.

Según un informe de un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto, en Canadá, las diez aplicaciones más prometedoras de la Nanotecnología son: almacenamiento, producción y conversión de energía; mejoras en la productividad agrícola; tratamiento y remediación de aguas; diagnóstico, tratamiento de enfermedades; sistemas de administración de fármacos; procesamiento de alimentos; remediación de la contaminación atmosférica; construcción; monitorización de la salud; detección y control de plagas; informática y hardware.

Se han desarrollado aplicaciones muy particulares de las nanofibras de carbono como: uso en electrodos para construir súpercapacitores [Pe-2000]; en la industria automotriz [Me-2005]; como interruptores nanoelectromecánicos [Ti-2000]; en capas superficiales para la industria textil [Br-2006]; como removedor de solventes orgánicos en agua [Le-2004]; como soporte catalítico y filtrado [Pa-2000][Vi-2002][Ke-2005]; para almacenamiento de hidrógeno [Ah-1998a][Bl-2006]; para usos aeroespaciales elaborando materiales compuestos con matriz polimérica más resistentes y pegamentos conductores [La-2006]; aplicaciones en ciencias biológicas y de la salud[Mc-2004]; y aplicaciones comerciales diversas [Ed-2006]. Aunado a la lista anterior, las otras aplicaciones de nanofibras y nanotubos tienden hacia el mejoramiento en el almacenaje de hidrógeno para uso en celdas de combustible en automóviles y otros dispositivos [Ah-1998b] [Wa-1999] como

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los nanoalambres y los materiales compósitos. Las aplicaciones de las nanofibras a la industria que ya se contemplan son: baterías, mangueras antiestáticas para combustible, llantas, pintado electroestático, control térmico, espuma granítica, bolsas antiestáticas para chips, blindaje EMI/RFI, cable nanoconductor, nanodiodos y motores microeléctricos.

Las nanoestructuras de carbono tienen también un enorme potencial para una amplia gama para aplicaciones desde los nanodispositivos electrónicos, pasando por los nanocompósitos de alta resistencia y bajo peso, el almacenaje de hidrógeno y litio hasta la absorción de metano, sensores de gases como el de NO2 y diversas aplicaciones ambientales.

Aunque se han realizado progresos significativos para la aplicación de nanoestructuras de carbono tales como los materiales compósitos reforzados con nanofibras en una matriz polimérica, aún falta por investigar y mejorar. Una de ellas es, precisamente, el control durante el crecimiento y la mejora en la producción en grandes cantidades. Tanto la experimentación como la simulación computacional jugarán un rol crítico en los avances de la nanociencia y la nanotecnología. Asimismo, la nanociencia y la nanotecnología tienen un formidable potencial para resolver algunos problemas de la contaminación ambiental [Xu-2005] [Ro-1995a], prevenir algunos tipos de polución y ser utilizados como catalizadores [Zh-2004]; este trabajo está relacionado, precisamente, a estos dos últimos tópicos.

Se tiene proyectado un enorme desarrollo de aplicaciones integradas a productos para la siguiente década, existe un gran consenso en que la Nanotecnología en conjunto con la catálisis, la genética y otras ciencias y tecnologías emergentes nos llevará a una segunda revolución industrial en el siglo veintiuno tal como anunció hace algunos años, Charles Vest , ex-presidente del MIT (Massachussets Institute of Technology) y con lo cual coinciden las personas dedicadas a la ciencia y la tecnología en el mundo. Por todo lo anteriormente expuesto se puede concluir que las nanoestructuras de carbono podrían llegar a ser uno de los materiales más importantes del siglo XXI.

1.2 Planteamiento del problema

Existen contaminantes peligros que son expedidos a la atmósfera diariamente en los cuales podemos mencionar NO2, N2, CO2, CH 4, estos gases requieren un riguroso control ambiental; las personas y organización desean tener el control de los contaminantes, gases derivados de la contaminación de autos, de la industria petroquímica, tratamientos de aguas negras entre otros, por lo anterior es necesario contar con filtros de nanofibras de carbono.

Entonces se requiere de un sistema de alimentación eléctrica controlable que permita la síntesis de nanoestructuras de carbono.

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1.3 Objetivos

A continuación se darán mención de los objetivos generales y específicos que se tienen que alcanzar en este proyecto.

1.3.1 Objetivo General

Implementación y acoplamiento de un sistema de reacción de plasma de arco eléctrico en una fuente de Corriente Directa para aplicarlo a la síntesis de nanofibras de carbono.

1.3.2 Objetivos Específicos

Controlar la reacción del arco eléctrico, así como la temperatura necesaria dentro del reactor para la creación de plasma.

Realizar pruebas de descargas eléctricas para la generación de un arco electrico con el fin de degradar los electrodos de grafito.

Participar en la caracterización de los subproductos generados dentro del reactor con la ayuda de análisis DRX, MET, MEB.

1.4 Justificación

El proyecto propuesto presenta un gran interés ya que en la actualidad la ciencia de la nanotecnología está cobrando un mayor auge en el desarrollo tecnológico a nivel mundial. Sus aplicaciones son diversas y muy variadas, desde el área de la salud, electrónica, espacial, industrial y ambiental.

Los resultados esperados repercuten en un avance en el área ambiental, ya que los subproductos obtenidos mediante descargas de plasma se estima provean una gran cantidad de nanofibras de carbono, las cuales poseen propiedades de absorción de gases tóxicos que los convierte en materia prima para la elaboración de filtros para gases provenientes de diversas fuentes de contaminación (escapes de autos, chimeneas industriales, entre otras).

El proyecto sentará las bases del método de síntesis de nanofibras de carbono y la elaboración de filtros para absorción de gases. El beneficio repercutirá a grandes niveles debido a la difusión científica que se realice sobre los resultados obtenidos, ya sea mediante publicaciones en revistas indexadas o bien, presentación en diferentes congresos nacionales e internacionales.

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1.5 Hipótesis

Este proyecto trata de encontrar un marco general en la búsqueda de nuevas técnicas para la síntesis te nanofibras de carbono mejorando su estructura y sus características para la correcta adsorción de gases. Dentro de este marco se ha identificado varios puntos donde se cree poder hacer una contribución importante para futuros proyectos.

Presión del reactor es importante tener el control de la presión dentro del reactor para la ionización del gas y sostener el arco eléctrico.

Catalizadores diferentes para conocer cuál de ellos nos ayuda a cumplir con las características de las nanofibras de carbono.

Potencia que se aplica en los electrodos para poder tener suficiente corriente y así sostener el arco eléctrico para la erosión de los electrodos de grafito.

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CAPITULO 2

FUNDAMENTOS TEORICOS DEL ESTUDIO DEL ARTE DE LAS NANOFIBRAS DE CARBONO

El tener las bases teóricas en electrónica, química y termodinámica es necesario para conocer los diferentes tipos de métodos utilizados para la generacion de nanofibras de carbono, con la misma importancia se dara mención a los métodos de caracterización y su respectivo funcionamiento.

2.1 Grafica universal Corriente-Voltaje para descargas eléctricas

El nivel de ionización puede tener diferentes intensidades que dependen directamente de la intensidad del campo eléctrico aplicado. Inicialmente, la ionización se genera mediante un alto voltaje entre dos electrodos (ánodo y cátodo) en medio de los cuales debe existir un gas inerte. Una vez lograda la ionización, la corriente entre los electrodos comienza a fluir debido al flujo de electrones que se liberan de los átomos del gas en cuestión. Si el voltaje se aumenta hasta el punto de rompimiento del gas, la corriente aumenta y el voltaje necesario para mantener la ionización se reduce; en el momento en que la descarga comienza a tener luminiscencia visible da lugar al efecto corona y el plasma generado se encuentra fuera del equilibrio térmico local (plasma frío o no térmico) ya que la temperatura de los electrones es mucho mayor a la de las partículas pesadas (iones, átomos, moléculas). En esta parte es claro que una vez que se logra la ionización, el voltaje para sostener el plasma puede ser incluso menor al valor de rompimiento debido a que los iones y electrones libres generan una gran cantidad de colisiones de partículas, favoreciendo la ionización de otros átomos. Conforme la corriente aumenta, la luminiscencia de la descarga también se incrementa, cambiando de una descarga corona hacia un efecto capacitivo y siguiendo esta tendencia se alcanza un régimen de arco eléctrico. Éste se caracteriza por tener una luminosidad bastante intensa y por ser un plasma en equilibrio térmico local (temperatura casi igual para todas las especies que componen el plasma). Esta evolución del voltaje y la corriente se describe mediante una gráfica universal presentada en la figura 2.1. [Ro-1995b].

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Figura 2.1. Gráfica universal voltaje-corriente para descargas eléctricas.

2.2. Técnicas de Síntesis de las Nanofibras de carbono

2.2.1 Síntesis y Producción de Nanofibras de Carbono

Para producir nanofibras se conocen varias técnicas bien definidas y otras que se están desarrollando actualmente; muchas de ellas se han patentado. Se producen en cantidades cada vez mayores y a escala continua [Eb-1992]. La mayoría de estos procesos toman lugar de forma catalítica y en el vacío, con procesos que involucran gases. La mayoría de los procesos que se utilizan para producir nanotubos también son utilizados para las nanofibras.

Para producir las nanofibras de carbono es necesario una fuente de carbono elemental como el grafito, CO o hidrocarburos de la forma CnHmcon alto contenido de carbono y a los cuales se les puede desprender el mismo (de hidrogenación), una transferencia de energía, ésta última es específica de acuerdo a la fuente utilizada y al medio ambiente de crecimiento, un catalizador y una atmósfera inerte como la que proporciona el He o el Ar. El crecimiento catalítico para la formación de nanofibras de carbono consiste de un metal base como catalizador, tal como Fe, Cu, Ni, Co, Y, aleaciones de éstos o ferroceno [Pa-1997]. Se han desarrollado diversos métodos para generar nanofibras de carbono, algunos de ellos se mencionan en seguida.

2.2.2 Ablación láser

En esta técnica, también llamada vaporización láser, un blanco consistente de una mezcla de grafito con una pequeña cantidad de partículas de metales de transición (catalizadores) es colocado en el extremo de un tubo de cuarzo encerrado en un horno bajo una atmósfera inerte [Ra-2004a], el blanco es expuesto a un haz de láser argón, el haz vaporiza el grafito y produce enucleación en la onda de choque justo en frente del blanco (figura 2.2). Un flujo de argón a

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través del reactor calentado por el horno lleva el vapor, las nanofibras, las nanopartículas de catalizador y el carbón amorfo [Ra-1997] [Th-1996] [Gu-1995].

Figura 2.2. Parte central de un reactor de Vaporización Láser [Gu-1995].

Una superficie enfriada por agua puede ser incluida en el sistema para colectar las nanofibras. El proceso genera alta pureza, pero, poca cantidad. La reacción ocurre durante un corto tiempo y las temperaturas pueden llegar a ser superiores a 3000 K.

2.2.3 Deposición química en fase vapor (CVD) (Derechos de autor)

La deposición química en fase vapor (Chemical Vapor Deposition), designada en ocasiones como descomposición química de hidrocarburos en fase vapor [En-1988] [Ro-1993] [Pa-1997]. Esta técnica ha sido ampliamente utilizada en la fabricación de circuitos integrados de silicio para crecer películas metálicas, semiconductoras y dieléctricas. Generalmente se basa en la generación térmica de radicales activos desde un gas precursor, el cual conduce a la deposición de la película elemental o compuesta sobre un sustrato. Algunas veces la misma película puede ser sintetizada a mucha menor temperatura por disociación del precursor con la ayuda de electrones de alta energía con una descarga de plasma de resplandor (glow). Los materiales se pueden disociar sobre la superficie catalítica. Este método proporciona nanofibras en gran cantidad, con buena calidad y se puede hacer un aumento de escala fácilmente, e inclusive se han logrado sintetizar nanofibras por descomposición de alcohol a presión atmosférica [Ji-2002] [Ra-2004b]. El crecimiento por CVD puede tomar lugar en el vacío o a presión atmosférica y se ha podido determinar que el diámetro, la velocidad de crecimiento y la densidad de los nanofibras alineadas verticalmente, dependen del tamaño del catalizador.

Un reactor CVD es simple y barato para construirlo, generalmente consiste de un tubo de cuarzo encerrado en un horno. Generalmente se usa un tubo de cuarzo de 1-2 pulgadas capaz de sostener sustratos pequeños, un material del sustrato puede ser silicio, mica, cuarzo o alúmina. Para montar el equipo se necesitan medidores de presión de los gases y del sistema. El crecimiento puede ser llevado a cabo a presión atmosférica o presiones ligeramente bajas cuando se usa un hidrocarburo o material a base de CO. La temperatura de crecimiento está en el intervalo de 700 a 900 ºC. Un estudio teórico deformación siguiere que una

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alta energía cinética (y por tanto, una alta temperatura T≥900ºC) y una limitada baja fuente de carbón son necesarios para el crecimiento filamentario [Ka-1999]. El tipo de catalizador, el tamaño de las partículas del catalizador y su técnica de preparación inciden sobre la producción y calidad de las NFC.

La técnica consiste en colocar un substrato dentro de un horno a una temperatura de 600°C y se introduce lentamente un gas con carbono que se recombina en el substrato y forma nanofibras (figura 2.3).

Figura 2.3. Generación de Nanofibras de carbono por Deposición Química en fase Vapor [Es-2005]. (Derechos de autor).

La deposición catalítica de carbono en fase vapor fue reportada primeramente en 1959 [Wa-1959] sin embargo, no fue hasta 1993 que se admitió experimentalmente [Jo-1993] que algunas nanoestructuras eran formadas por este proceso. Los nanofibras crecen en los sitios de la catálisis metálica, el gas que contiene carbono es descompuesto en la superficie de la partícula catalítica y el carbono es transportado al borde de la partícula.

Si un plasma es generado por la aplicación de un fuerte campo eléctrico durante el proceso de crecimiento (plasma enhanced chemical vapor deposition) entonces el crecimiento de nanofibras tiende a seguir la dirección de dicho campo [Re-1998]. Por medio de un ajuste de la geometría del reactor es posible sintetizar nanofibras de carbón verticalmente alineados, por ejemplo, perpendiculares al substrato, sin el plasma, las nanofibras resultantes están orientadas aleatoriamente como un plato de spaghetti. La desventaja principal de este método, es que una fracción del gas pasa a través del reactor sin reaccionar con las partículas del catalizador, que requiere así una recirculación del gas para mejorar su eficacia [Ze-2004] [Wa-2005] [Ta-2003] [Ha-1998].

Cuando se realiza la técnica de CVD por sustrato es, esencialmente un proceso de dos etapas, en una primera etapa se preparan los catalizadores y en una segunda etapa se sintetizan las nanoestructuras. Los catalizadores son preparados generalmente dispersando nanopartículas de un metal de transición sobre el substrato. Dado que el elemento activo es el metal en estado elemental, es necesario un tratamiento de reducción, por ejemplo, con hidrógeno para inducir la enucleación de partículas catalíticas en el sustrato. En la siguiente etapa, se introduce en el sistema la fuente de carbono para producir el crecimiento de las nanofibras. Suele emplearse un reactor tubular, introducido en un horno eléctrico, para llevar a cabo ambas etapas, pasando de una a otra mediante los flujos de

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gases y las temperaturas. Cuando se desea producir VGCF más gruesas, suele realizarse una tercera etapa de engrosamiento, donde se disminuye la relación de hidrógeno y se incrementa la temperatura para favorecer la ampliación de la fibra. El método del sustrato es versátil y permite obtener los distintos tipos de filamentos con alta selectividad. Sin embargo, las cantidades a producir son muy pequeñas, al ser un proceso discontinuo que requiere de unos tiempos de residencia elevadísimos, aumentando en demasía los costos. Aunque este es principal método de síntesis existen otros ya probados o en fase de investigación.

2.2.4 Plasma con Radio-Frecuencia (r.f. CVD) (Derechos de autor)

En este método la energía térmica para el crecimiento la proporciona un plasma [Bo-2002] para descomponer el metano sobre el catalizador (Ni) llevándose a cabo la formación de un eutéctico Ni-C como un sitio de enucleación para la nanofibra [Ku-2001] con ello el carbón se difunde a través de la superficie. La distorsión reducida de la partícula catalizadora a baja temperatura conduce a un crecimiento más uniforme de las nanofibras sobre amplias áreas.

2.2.5 Síntesis por Flama. (Derechos de autor)

En este método se sintetizan nanofibras de carbono utilizando una flama producida por una mezcal aire-etileno sobre un sustrato de arco produciendo microfibras y nanofibras de varios diámetros [Sw-2004]. La técnica de la flama también requiere de condiciones básicas de operación tales como: alta energía, adición de hidrocarburos y altas temperaturas para la síntesis. Es un método potencial para producir a gran escala nanofibras, diversos catalizadores metálicos se utilizan. La formación y el crecimiento del catalizador, se puede hacer utilizando el catalizador (por ejemplo NI, Co o Fe) e hidrocarburos como el C2H 2 o CO, que puede estar revestido en una malla, existe primero la formación de gotas de cobalto para después formar un aerosol y a éste exponerlo a una llama [Mi-2003] [Ra-2005].

En este método se pueden usar catalizadores en aerosol o soportados y la llama puede ser economizada ya que una porción del gas de combustible se quema para elevar la temperatura mientras que el resto sirve como el reactivo de crecimiento.

2.2.6 Antorcha de Plasma (Derechos de autor)

D. Harbec [An-2002] usaron una técnica de antorcha de flama con C2Cl4 como precursor de carbón y una fuente de alta potencia (100kW) mientras que Takikawa propusieron un arco de antorcha al aire [Mr-2005] y otros una antorcha operada por energía de microondas [Ch-2002], sin embargo, también hacen uso de un horno para proporcionar más calor en la salida de la antorcha del plasma, aumentando la complejidad del sistema.

2.2.7 Catálisis flotante (Derechos de autor)

Este método fue desarrollado en la década de 1980 por los grupos de Endo y Tibbetts para la producción de VGCF, hoy en día, es una técnica para la

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obtención de nanotubos y nanofibras, aunque el control es bastante más complicado que en el método del sustrato. La idea de este método es producir de forma continua, en un único proceso continuo, los nanofilamentos catalíticos, introduciendo en el reactor sus reactivos. Todas las etapas en este método (preparación del catalizador, generación de nanopartículas de metal elemental, crecimiento de nanofilamentos y engrosamiento) deben tener lugar en un único reactor. Como fuente de catalizador suele utilizarse Fe principalmente [Li-2000] [Sm-2002] [Ta-2002], en especial, organometálicos de Fe para que la generación de las nanopartículas metálicas activas sea más factible se utilizan tanto Fe(CO )5 como ferroceno.

Para que los volúmenes del reactor no sean muy grandes y su diseño sea factible, la reacción debe tener una cinética razonable, muy superior a la del método del sustrato. Para ello hay que aumentar considerablemente la temperatura, con la inevitable formación de hollín por craqueo de la fuente de carbono. Para minimizar la formación de hollín, el tiempo de residencia ha de ser muy pequeño, del orden de segundos. Este gran incremento de la cinética se consigue añadiendo una fuente de azufre (el H 2S, tiofeno), en cantidades aproximadamente equimolares con el metal. La función del S no está clara, aunque parece que tiene que ver con la generación de partícula fundida.

Se pueden producir muchas nanofibras debido a su producción continua y tiene aplicaciones potenciales a la industria y a la ingeniería como los aditivos sulfurados [Ha-2004] [Vn-2001] [Ys-2002].

2.2.8 Proceso por Conversión de Monóxido de Carbono a Alta presión (HiPCO). (Derechos de autor)

En este proceso, el catalizador es generado in situ por descomposición térmica de hierro pentacarbonil. Los productos de esta descomposición incluyen clusters en fase gas que actúan como núcleos para el crecimiento se SWCNT´s usando CO [Ni-1999]. El proceso es realizado a presiones altas de 10 a 50 atm y a temperaturas de 800 a 1200 ºC. Se producen con este método SWCNT´s con diámetros del orden de 0.7nm. Y la velocidad de producción es de alrededor de 0.5 g/h favoreciendo la producción a escala la producción catalítica es inducida por la descomposición de un compuesto a base de hierro y monóxido de carbono, donde el CO continuamente fluye a alta temperatura con una elevada presión de ahí el nombre de este método [Br-2001].

2.2.9 Arco Eléctrico (Derechos de autor)

En 1992 Thomas Ebbeser y Pullickel M. Ajayan, de los laboratorios de investigación de NEC publicaron un método para fabricar nanotubos conectando dos barras de grafito con diámetros de 0.5 a 40 mm a una fuente de voltaje de 20 a 50 Vdc, separadas por menos de un centímetro, con un arco de corriente de 50 a 120 A con una atmósfera inerte a 400 torr. de presión con helio. El carbono se evapora en un plasma caliente y parte del mismo se vuelve a condensar en forma de nanoestructuras de carbono. Ese mismo método se puede usar para la producción de nanofibras de carbono.

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Este proceso involucra el acercamiento de dos electrodos de grafito para llevar a cabo una descarga de corriente directa (dc) en una atmósfera de gas inerte como el argón o el helio. El arco eléctrico vaporiza una mezcla de grafito en polvo con metal de transición como el Fe, Co, o Ni (o una combinación de metales como Ni-Y). La mezcla está colocada en un hueco en la punta de uno de los electrodos (ánodo).El gas inerte fluye manteniéndose a una presión de 50-60 torr. Las condiciones nominales incluyen una temperatura de 2000 a 3000ºC, a una corriente de 100 Ampers y 20 volts dc. Esto produce SWCNTs, MWCNTs, CNF´s y carbón amorfo. La presión del gas, el caudal y las concentraciones de metal pueden ser cambiadas para obtener distintos nanoestructuras, pero, estos parámetros parecen no cambiar la distribución del diámetro de las nanoestructuras. Este método proporciona alta pureza pero poca cantidad. Esta técnica fue usada inicialmente para producir los fulerenos C60, es la manera más común y quizás más fácil de producir nanotubos de carbono. Una descarga de arco es aplicada entre dos barras (electrodos) de grafito y colocadas a aproximadamente 1mm bajo atmósferas de gas inerte (helio, argón) a bajas presiones (entre 50 y 700 mbar.) y a corriente directa o alterna. La descarga vaporiza una de las barras del carbón y forma un depósito formado en el cátodo. Para producir la mayor cantidad de nanofibras es necesario que haya uniformidad en el arco del plasma y en la temperatura [Ma-2003] [Hu-2004]. Para el proceso con corriente directa, el carbono contenido en el electrodo negativo se sublima debido a la alta temperatura causada por la descarga.

2.2.10 Método de síntesis por Arco-Glow en un plasma generado por descarga de ac en alta frecuencia. (Derechos de autor)

Las fibras de carbono se obtienen por síntesis en una descarga de arco Glow de corriente alterna a alta frecuencia (42 KHz) en una atmósfera inerte de gas helio en un reactor (figura 2.4), usando un flujo de metano como gas precursor, los electrodos de descarga son de grafito y uno de ellos contiene una mezcla de 34% atómico de Níquel como catalizador, 10.32 % atómico de Itrio y el porcentaje restante de grafito. La fuente de energía proporciona 360 Watts al reactor, con un tiempo de reacción menor a 5 minutos [Pa-2007].

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Figura 2.4. Reactor de arco Glow de ac. (Derechos de autor)

Otros métodos recientemente estudiados son: el crecimiento simple térmico por catálisis soportada [Ta-2004]; con soporte soluble de agua [Ev-2002], por microondas [Kh-2004], la implantación iónica a alta temperatura para producción de nanofibras Onion. [Th-2003], por horno solar, el solvotérmico (propuesto por Byung-Hwan Ryu) y el método de descarga corona pulsada de corriente directa en una reacción de plasma [To-2003].

Generalmente las nanofibras son sometidas a tratamientos posteriores para purificarlas, existen dos tipos generales de tratamientos: Térmico y Ácido. La purificación ácida consiste en dejar la muestra en una solución ácida de unas cuantas horas hasta menos de tres días, usando sustancias como el HCl , HNO3 ,H2SO4 oPeróxido de hidrógeno.

2.3 Caracteriacion del subproducto.

Las siguientes técnicas que se citan a continuación son de vital importancia para saber si el subproducto cumple con las propiedades de una nanofibra de carbono, los analizis químicos y las micrografías que se obtuvieron dan un apnorama más amplio de lo que es unaNFC

2.3.1 Microscopía Electrónica de Transmisión (MET)

El microscopio electrónico de transmisión MET (o TEM por sus siglas en ingles) tanto el ordinario como el de alta definición se han convertido en una valiosa herramienta para obtener información acerca de las nanoestructuras de carbono. Con el MET se pueden determinar el tipo de nanoestructura (nanofibra, nanotubo, fulereno), su diámetro; las formas de los extremos (media esfera de fulereno,

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cónicos, abiertos, catalizador en forma de gota para nanofibras); si están presentes otras sustancias (carbón amorfo, grafito, nanopartículas metálicas, etc.); la presencia de defectos o impurezas; y por supuesto, la calidad de las nanoestructuras. En la actualidad estos microscopios son capaces de romper la barrera de los Angströms con resolución a escala atómica de hasta 0.2 nanómetros por látice y 0.38 nanómetros punto a punto. Un MET también puede proporcionar patrones de difracción de puntos, anillos y puntos-anillos con los que se puede caracterizar estructuras cristalinas.

El microscopio utilizado para la caracterización de las nanofibras, genera un haz de electrones para visualizar un objeto. Debido a que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas. El haz de electrones es emitido por un filamento de Tungsteno o un cristal de Boro-Lantano, acelerado dichos electrones por un potencial que varía entre 10 y 1000 kV, pasando por una serie de lentes electromagnéticas para ser condensados, enfocados y finalmente proyectados sobre una pantalla fluorescente (Figura 2.5) que convierte la imagen electrónica en imagen luminosa, como sucede con un televisor y se toma una fotografía de la imagen (llamada micrografía). Todo el proceso se lleva a cabo en el vacío. Las partes principales de un microscopio electrónico son: el cañón de electrones, el sistema de lentes y la pantalla fluorescente, estos componentes están ensamblados en una columna vertical la cual se encuentra en alto vacío.

Figura 2.5. Esquema de un MET.

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En la figura 2.6. Se muestra la imagen del microscopio que utilizó para llevar a cabo el análisis de las muestras (JEOL modelo 2010) se uso un voltaje de aceleración de 400 kV y una longitud de cámara de 120 cm.

Figura 2.6. Microscopio Electrónico de Transmisión JEOL 2010.

2.3.2 Preparación de las Muestras para MET

El producto obtenido en los electrodos del reactor se coloca en una rejilla de cobre cubierta con una membrana de carbono. La muestra fue previamente molida en un mortero para obtener polvo, una vez hecha polvo se procede a colocarla en alcohol iso-propílico y se somete 15 minutos al ultrasonido en un equipo marca Cole Parmer, modelo 8892 para homogenizar la muestra mediante baño ultrasónico, enseguida se deposita una gota en la rejilla y se deja secar 5 minutos, se introduce al microscopio y se realiza un vacío de aproximadamente 30 minutos para posteriormente realizar las micrografías.

2.3.3 Microscopía Electrónica de Barrido (MEB)

El microscopio electrónico de barrido (MEB) o SEM por su acrónimo en ingles, es uno de los más versátiles instrumentos para hacer investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales, tiene aumentos de X100, 000 o más, y muy buena profundidad de campo, y tiene la cualidad de poder formar imágenes en 3D y proporcionarlas en una pantalla de computadora.

Cuando se hace incidir un haz de electrones sobre una superficie de un sólido se produce radiación electromagnética de varios tipos (figura 2.7.) debido con la respectiva presencia de: Fotones, Electrones Secundarios, Rayos X Característicos, Electrones Auger, Electrones Retro dispersados, Electrones Transmitidos, Electrones Difractados y Electrones Adsorbidos.

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Figura 2.7. Electrones y radiación producida en una muestra debido a la incidencia de un haz electrónico.

Recolectando la información de esa radiación electromagnética con varios detectores, es posible obtener imágenes o análisis químicos del área en que incide el haz electrónico, este proceso también se realiza al vacío. La técnica más popular es la formación de imágenes usando los electrones secundarios (son emitidos desde la muestra como consecuencia de las ionizaciones surgidas de las interacciones inelásticas). Por esta razón, poseen baja energía (50 eV) con ellos se puede observar topografías superficiales. El contraste se produce por efecto del número atómico y la orientación cristalina combinada con alta resolución. La imagen con electrones retrodispersados proporciona información topográfica con elevado contraste de las profundidades, pero, sacrificando resolución. El MEB pueden ampliar a 100 000 veces o más dependiendo del equipo. El MEB explora la superficie de la imagen punto por punto recorriendo la muestra con un haz electrónico muy concentrado. Los electrones retrodispersados y los secundarios son recogidos y contados por un dispositivo electrónico situado a los lados del espécimen. Cada punto leído de la muestra corresponde a un píxel en un monitor. Cuanto mayor sea el número de electrones contados por el dispositivo, mayor será el brillo del píxel en la pantalla. A medida que el haz de electrones barre la muestra se generan señales, las cuales pueden ser captadas con detectores adecuados para cada una de ellas.

Un haz de electrones se genera en el arma de electrones, situada en la tapa de la columna. Este haz es atraído a través del ánodo, y es condensado por una lente magnética (condensador) y enfocada como punto muy fino en la muestra por la lente magnética objetiva (figura 2.8). Las bobinas de exploración se energizan (variando el voltaje producido por el generador de la exploración) y crean un campo magnético que desvíe la viga hacia delante y hacia atrás en un patrón controlado. El voltaje que varía también se aplica a las bobinas alrededor del cuello del tubo de rayos catódicos (CRT) que produce un patrón de la luz desviado hacia adelante y hacia atrás en la superficie del CRT, El haz electrónico golpea la muestra, produciendo electrones secundarios de la muestra. Estos electrones son recogidos por un detector secundario o un detector de retrodispersión, convertidos a un voltaje, y amplificados. El voltaje amplificado se aplica a la rejilla de la CRT y causa la intensidad del punto de la luz al cambio. La

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imagen consiste en millares de puntos de intensidad que varía en la cara de una CRT que correspondan a la topografía de la muestra, es decir, explora o barre, por un periodo de tiempo determinado. El patrón de la desviación del haz electrónico es igual que el patrón de la desviación del punto de la luz en la CRT, eso significa que las interacciones ocurren dentro de la muestra y se detecta un pixel en una CRT, el detector capta una señal y las convierte en una señal electrónica que se proyectada en un tubo de rayos catódicos, el haz está sincronizado con el barrido del CRT y produce una relación uno a uno entre puntos de la muestra.

Figura 2.8. Esquema general de un MEB.

Con el uso del MEB es posible analizar, entre otras cosas, la morfología superficial de catalizadores, la adherencia fibra-matriz en polímeros, la morfología de tejidos u órgano animal y vegetal y el estudio de moléculas.

2.3.4 Preparación de las Muestras para el MEB

Para esta investigación se empleó el microscopio electrónico de barrido marca JEOL modelo JSM-5900LV (figura 2.9) equipado con microsonda marca OXFORD para análisis químico elemental semicuantitativo por técnica EDS. Este MEB es capaz de tratar muestras conductoras y no conductoras sin preparación previa, a las imágenes que proporciona este microscopio también se les designa como micrografías.

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Figura 2.9. Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-5900LV.

El depósito obtenido en los electrodos del reactor se pulveriza con un mortero y se coloca en alcohol iso-propilico, después de ello se coloca en un equipo de ultrasonido en un equipo marca Elma, modelo 9331 por homogenizar la muestra mediante baño ultrasónico durante 15 minutos. Una gota de esta muestra se coloca en el porta muestras de aluminio previamente pulido y se deja secar por 5 minutos. Una vez seca la gota, se le proporciona un recubrimiento de oro con un equipo Sputtering, Desk II, Denton Vacuum durante 120 segundos. El microscopio se opera a 30 minutos de vació en modo alto vacío (HV), a un voltaje de 20-25 kV, con aumentos desde 100X hasta 40 000X.

2.3.5 Análisis de Nanofibras de Carbono por Difracción de Rayos X (DRX)

La difracción de rayos X o DRX (XRD por su acrónimo en ingles) es una de las técnicas que goza de mayor prestigio entre la comunidad científica para dilucidar estructuras cristalinas, debido a su precisión y a su uso durante décadas, elementos que la hacen muy fiable. Sus mayores limitaciones se deben a la necesidad de trabajar con sistemas cristalinos. Es una técnica analítica “no destructiva” que suministra información acerca de la estructura cristalográfica, composición química y propiedades físicas de materiales y películas delgadas. La técnica se basa en la observación de la intensidad dispersada de un haz de rayos X que incide sobre una muestra como una función del ángulo incidente y del dispersado, la polarización y la longitud de onda (o energía). Si se hace pasar un haz de rayos X a través de un material cristalino, el haz llega en varias direcciones debido al ordenamiento de átomos y se produce una difracción del haz que da lugar a un patrón de intensidades que se interpreta aplicando la Ley de Bragg.

Al incidir los rayos X sobre un átomo interaccionan con sus electrones exteriores, éstos remiten la radiación electromagnética incidente en diferentes direcciones y con pequeños cambios en su frecuencia, los rayos X remitidos desde átomos cercanos interfieren entre sí constructiva o destructivamente, es decir, se difractan (figura 2.10).

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Figura 2.10. Difracción de Rayos X sobre un material cristalino.

Los átomos superiores remiten la radiación tras ser alcanzados por ella y los puntos en los que la radiación se superpone constructivamente se muestran como la zona de intersección de los anillos. La interferencia es constructiva cuando la diferencia de fase entre la radiación emitida por diferentes átomos es proporcional a, esta condición se expresa en la ley de Bragg.

nλ = 2dsen θ

Donde n es un entero, λ la longitud de onda de los rayos X, d es el espaciamiento interplanar y θ es el ángulo entre el rayo incidente y el dispersado. La difracción está basada en las interferencias ópticas que se producen cuando una radiación monocromática atraviesa una rendija de espesor comparable a la longitud de onda de la radiación. Los difractometros constan de un sistema para la producción de rayos X, un mecanismo para girar la muestra, normalmente de 10 a 100° para un ángulo doble, un detector que recibe los haces difractados y un contador que interpreta las intensidades de la radiación (figura 2.11), las cuales se grafican contra el ángulo para obtener un espectro del material.

Figura 2.11. Diagrama de las partes básicas de un de un DRX.

El difractómetro utilizado para esta la caracterización de las nanoestructuras de carbono es marca Siemens Nixdorf, modelo D5000 (figura 2.12). Dispone de una fuente de alto voltaje, un cátodo de cobre y un filtro de níquel para la producción de rayos X. Desde la computadora se controlan las condiciones de medida obteniéndose así el difractógrama.

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Figura 2.12. Difractómetro D500 Siemens Nixdorf.

2.3.6 Preparación de las Muestras para DRX

El producto se pulveriza, se coloca en el porta muestras de vidrio compactándolo y se introduce en el equipo, los parámetros para analizar la muestra están dadas a 40 kV y 30 mA y son: Angulo 2θ: 10° a 100°; Step drive: 0.04/1s; Step time: + y Range time: 38 min.

2.4 Corriente directa

La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica [Ga-2012].

Es importante conocer que ni las baterías, ni los generadores, ni ningún otro dispositivo similar crea cargas eléctricas pues, de hecho, todos los elementos conocidos en la naturaleza las contienen, pero para establecer el flujo en forma de corriente eléctrica es necesario ponerlas en movimiento.

Figura 2.13. Flujo de corriente eléctrica.

Las cargas eléctricas se pueden comparar con el líquido contenido en la tubería de una instalación hidráulica. Si la función de una bomba hidráulica es poner en movimiento el líquido contenido en una tubería, la función de la tensión o voltaje que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) es, precisamente, bombear o poner en movimiento las cargas contenidas en el cable conductor del

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circuito eléctrico. Los elementos o materiales que mejor permiten el flujo de cargas eléctricas son los metales y reciben el nombre de “conductores”.

Como se habrá podido comprender, sin una tensión o voltaje ejerciendo presión sobre las cargas eléctricas no puede haber flujo de corriente eléctrica. Por esa íntima relación que existe entre el voltaje y la corriente generalmente en los gráficos de corriente directa, lo que se representa por medio de los ejes de coordenadas es el valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de FEM.

Figura 2.14. Fuente FEM.

Circuito eléctrico compuesto por una pila o fuente de suministro de FEM; una bombilla, carga o consumidor conectada al circuito y los correspondientes conductores o cables por donde fluye la corriente eléctrica. A la derecha aparece la representación gráfica del suministro de 1,5 volt de la pila (eje. de coordenadas "y") y el tiempo que permanece la pila suministrando corriente a la bombilla. (Representado por el eje de coordenadas "x").

La coordenada horizontal “x” representa el tiempo que la corriente se mantiene fluyendo por circuito eléctrico y la coordenada vertical “y” corresponde al valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de FEM (en este caso una pila) y se aplica circuito. La representación gráfica del voltaje estará dada entonces por una línea recta horizontal continua, siempre que el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante durante todo el tiempo.

a) b) Figura 2.15. Fuente FEM. a) Voltaje positivo, b) Voltaje negativo por inversión de

polos.

Normalmente cuando una pila se encuentra completamente cargada suministra una FEM, tensión o voltaje de 1,5 volt. Si representamos gráficamente el valor de esa tensión o voltaje durante el tiempo que la corriente se mantiene fluyendo por el circuito cerrado, obtenemos una línea recta.

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Si después hacemos girar la pila invirtiendo su posición y representamos de nuevo el valor de la tensión o voltaje, el resultado sería el mismo, porque en ambos casos la corriente que suministra la fuente de FEM sigue siendo directa o continua. Lo único que ha cambiado es el sentido del flujo de corriente en el circuito, provocado por el cambio de posición de la pila, aunque en ambos casos el sentido de circulación de la corriente seguirá siendo siempre del polo negativo al positivo.

2.4.1 Fuentes de Corriente Continua.

Se denomina comúnmente rectificador a la fuente de corriente continua encargada de proveer la energía eléctrica necesaria para realizar los diversos procesos galvánicos. Existen diferentes tipos los cuales deberán ser estudiados en virtud de encontrar lo más conveniente para el proceso a realizar.

Los equipos rectificadores están constituidos básicamente por un transformador y un puente rectificador. El transformador cumple la función de separar la línea de entrada de la salida de baja tensión. El puente rectificador, convierte la corriente alterna en corriente continua. Dependiendo del tipo de puente rectificador, la corriente continua será de mayor o menor calidad. La variación que pueda quedar sobre la corriente continua así obtenida se denomina “ripple”. A mayor valor de “ripple”, la calidad de corriente continua es baja. Para determinados electrolitos tales como el cromo, se deben reducir estas variaciones al mínimo posible [Gr-1971).

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CAPITULO 3

DESARROLLO

Este capítulo inicia con el ensamble da la Fuente de Corriente Directa de alta Corriente, así como la explicación de cada uno de sus componentes eléctricos que se usaron para la construcción de la mismaEn su segundo apartado tendremos el desarrollo de las pruebas de generación de arco eléctrico, los cambios realizados en el reactor y fuente de corriente directa para tener las condiciones óptimas de sintetizado.

3.1Transfromador Variable (Variac)

El Transformador variable consiste en un alambre de imán de una sola capa, bobinado sobre un núcleo toroidal de acero al silicio laminado. Un cepillo de carbono, conectado a un cable de salida, se hace girar sobre un suelo de precisión, pista conmutador chapado a grifo tensión en cualquier giro de cero a la tensión de salida máxima del devanado, la figura 3.1 muestra la forma más sencilla de un variac [St-2012].

Figura 3.1 Esquema de un Variac y sus partes principales.

En aplicaciones trifásicas, tres 120-voltios unidades se acoplan en una conexión en estrella a resultar en un 240-voltios línea a línea trifásica de montaje. De manera similar, tres 240-voltios unidades se acoplan en una conexión en estrella a resultar en un 380-voltios o un 480-voltios línea a línea de montaje de tres fases. En cada uno de estos casos, los transformadores individuales, o las bobinas, se identifican con el voltaje de base, ya sea de 120 voltios o 240 voltios. Cuando los transformadores variables están conectados en triángulo abierto para aplicaciones trifásicas, la Figura 3.2 muestra la estructura física del Transformador Variable, dimensiones y conexiones.

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Figura 3.2 Estructura, dimensiones y conexiones del Variac.

La pérdida de energía extremadamente bajo y la eficiencia de hasta el 98%.Produce una transferencia exacta de la onda de entrada al circuito de salida, proporcionando un control de tensión sin distorsión.

La superficie del colector de cada bobina está especialmente chapada con metales preciosos, dando una vida más larga, el aumento de la resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar mayores sobrecargas.

Espiras de bobina están separadas uniformemente y el voltaje de salida es proporcional a la rotación angular. Desplazamiento angular total es de aproximadamente 320 grados en todas las series.

El Variac de el Laboratorio es de la marca Staco Enegy Modelo 60M5011-6Y, que es controlado por un motor de 120V 50/60 Hz el cual tiene una velocidad de 60 segundos de rotación, para más información del Transformador Variable ver Tabla 3.1 y Figura 3.6 para el circuito del Variador.

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Tabla 3.1 Especificaciones del Transformador Variable. (Derechos de autor)Alambrad

oEspecificaciones

Input Output Conexiones de la terminal.

Tres fases.

Volts Hertz Volts Max. Amps

Max. KVA

Para incremento de voltaje ver velocidad del

motorInput jumper Output

240 60 0-280

100 48.5 CW 2-2-2 - B-B-B

Figura 3.3 Esquema eléctrico del Variac.

3.2 Transformador

Como su nombre lo indica transforma la energía que viaja por las líneas de alta, media y baja tensión, por las subestaciones distribuyéndolas por las ciudades. Existen diversos tipos de transformadores varían según su potencia, capacidad, uso o aplicación [Ra-2008].

Tenemos el Transformador de 45KVA 3 fases a 60 Hz para la fuente de Corriente Directa, los voltios que maneja es de 220-80, la temperatura de elevación es de 65°C 2300 MSNM, impedancia de 2.0% a 85°C, peso de 300 Kg y su número de serie 41242.Contamos con un diagrama vectorial delta-estrella.

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Figura 3.4. Conexión Delta-Estrella.

Su diagrama de conexión se muestra en la figura 3.5

5 3 1 2 4 6 5 3 1 2 4 6 5 3 1 2 4 6

a)FASE A FASE B FASE C

b)Figura 3.5 Diagrama de Conexión del Transformador. a) 6 conexiones, b) 3 fases.

Se observa de igual manera en la tabla 3.2 la derivación en alta tensión y baja tensión en Voltios y Amperios.

Tabla 3.2 Derivación de Alta Tensión y Baja Tensión (Derechos de autor)Posición Terminales Voltios Amperios

I 1-2 231 112II 2-3 225 115III 3-4 220 118IV 4-5 215 120V 5-6 209 124

Baja tensión 80 324

3.3 Puente rectificador

El puente rectificador es un pequeño circuito cuya misión es la de convertir la corriente eléctrica alterna, en corriente continua. La corriente alterna es la que utiliza la red doméstica, es corriente que cambia de fase y de polaridad, generalmente a intervalos de 50 veces por segundo= 50 Hz (Hertzios).

La mayoría de aparatos electrónicos de consumo, funciona con corriente continua (como la de las pilas y baterías), con polaridad fija, siempre hay un polo negativo y otro positivo, a tensiones de entre +5voltios hasta +24V. Para convertir la

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electricidad alterna en continua, primero se usa un transformador que baja el voltaje de la red de 220voltios a por ejemplo 12 ó 5V; y después se conecta el puente rectificador.

El componente principal de un rectificador es el Diodo, éste es un componente semiconductor que deja pasar la corriente solo en un sentido y bloquea cuando la corriente circula en sentido inverso.

La corriente alterna a 5 voltios, se hace pasar por cuatro Diodos, dispuestos de tal forma, que todos los picos de la onda senoidal alterna se redirigen a un polo positivo y otro negativo, es decir; todas las tensiones positivas salen por un punto y las negativas por otro. Por lo que una corriente alterna de -5v a +5v, se consigue una salida con una diferencia de potencial de 0 a +10 voltios.Posteriormente y para que la tensión no fluctúe constantemente a 50Hz de 0 voltios a +10 voltios a la salida, se coloca en paralelo un condensador que se carga a la tensión máxima y cuando ésta comienza a bajar, se descarga lentamente, proporcionando corriente al resto del circuito hasta que llega el siguiente pico de tensión. Al ser este efecto tan rápido, la corriente que se obtiene es prácticamente igual a la suministrada por una pila de corriente continua.

El famoso nombre del grupo de rock AC/DC viene precisamente de éste proceso AC= Alternating Current DC=Direct Current

Por eso estas siglas se indican en la mayoría de adaptadores y transformadores de aparatos como móviles, impresoras, DVD y ordenadores portátiles. Y en muchos otros equipos que se enchufan directamente a la red, el rectificador está incorporado dentro.

Para hacer la fase de la experimentación contamos en el Laboratorio con un puente rectificador que está hecho de SCR/Diodo POW-R-BLOCK [Da-2012], A 130 Amperes y 1200-1600 Volts. El diagrama interno y la estructura física se muestran en la Figura 3.6.

a) b)Figura 3.6.a) Diagrama Eléctrico y dimensiones del SCR/Diodo, b) Forma Física

del SCR/Diodo.

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Para poder hacer uso de este SCR/Diodo debemos conocer las características de trabajo del mismo por eso es necesario que guiarnos con la Tabla 3.3.

Tabla 3.3. Características eléctricas del SCR/Diodo.

3.4 Interruptor Termomagnético

Es un aparato utilizado para la protección de los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y sobrecargas, en sustitución de los fusibles. Tienen la ventaja frente a los fusibles de que no hay que reponerlos, la Figura 3.7 muestra la estructura interna de un Interruptor Termomagnético. Cuando desconectan el circuito debido a una sobrecarga o un cortocircuito, se rearman de nuevo y siguen funcionando [Ap-2012].

Figura 3.7. Estructura interna del Interruptor Termomagnético.

Su funcionamiento se basa en un elemento térmico, formado por una lámina bimetálica que se deforma al pasar por la misma una corriente durante cierto tiempo, para cuyas magnitudes está dimensionado (sobrecarga) y un elemento magnético, formado por una bobina cuyo núcleo atrae un elemento que abre el circuito al pasar por dicha bobina una corriente de valor definido (cortocircuito), ver Figura 3.8. para comprensión de la explicación.

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Figura 3.8. Diagrama Magnético y Térmico del interruptor.

Protección Térmica: En caso de sobrecarga la deformación de la lámina bimetálica provoca la apertura de los contactos.

Protección Magnética. En caso de cortocircuito la corriente que atraviesa el solenoide tiene una magnitud tal que produce el desplazamiento del núcleo que a su vez provoca la apertura de los contactos.

El Interruptor Termomagnético a usar es de la marca FPE tipo NFJ-R de 150 amperes a 21°C de 600 VCA con un disparo magnético de 900-1500.

En sus terminales todos los interruptores (hasta 1200A) son suministrados con zapatas mecánicas para su conexión con conductores de cobre o de aluminio [Sc-2012].Para alimentación inversa están aprobados, lo que permite su alimentación por la parte superior o inferior del mismo, por lo que no se indica su posición de "Línea o Carga".Características.

2 y 3 polos. Para montaje por zapatas y tipo I-Line. Con 4 diferentes capacidades de interrupción de 18 a 100 kA @ 480 V.c.a. Desde 15 hasta 250 A. Tensión de aplicación de 600 V.c.a. y 500 V.c.d. Contactos dobles rotoactivos. Interruptores tipo limitadores de corriente.

3.5 Capacitores

Básicamente, un condensador o capacitor, en su expresión más simple, está formado por dos placas metálicas (conductoras de la electricidad) enfrentadas y separadas entre sí por una mínima distancia, y un dieléctrico, que se define como el material no conductor de la electricidad (aire, mica, papel, aceite, cerámica,

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etc.) que se encuentra entre dichas placas. La magnitud del valor de capacidad de un capacitor es directamente proporcional al área de sus placas e inversamente proporcional a la distancia que las separa. Es decir, cuanto mayor sea el área de las placas, mayor será el valor de capacidad, expresado en millonésimas de Faradios [µF], y cuanto mayor sea la distancia entre las placas, mayor será la aislación o tensión de trabajo del capacitor, expresadas en unidades de Voltios, aunque el valor de capacidad disminuye proporcionalmente cuanto más las placas se separan [Ra-2012].Los condensadores o capacitores electrolíticos deben su nombre a que el material dieléctrico que contienen es un ácido llamado electrolito y que se aplica en estado líquido. La fabricación de un capacitor electrolítico comienza enrollando dos láminas de aluminio separadas por un papel absorbente humedecido con ácido electrolítico. Luego se hace circular una corriente eléctrica entre las placas para provocar una reacción química que producirá una capa de óxido sobre el aluminio, siendo este óxido de electrolito el verdadero dieléctrico del capacitor. Para que pueda ser conectado en un circuito electrónico, el capacitor llevará sus terminales de conexión remachados o soldados con soldadura de punto. Por último, todo el conjunto se insertará en una carcasa metálica que le dará rigidez mecánica y se sellará herméticamente, en general, con un tapón de goma, que evitará que el ácido se evapore en forma precoz.Se utilizan dos capacitores en paralelo con las líneas del Bus de Corriente Directa de la marca General Electric serie 86F1408L con una capacitancia de 2000 uf y un voltaje de 150VDC, esto con la finalidad de que se carga a la tensión máxima y cuando ésta comienza a bajar, se descarga lentamente, proporcionando corriente al resto del circuito hasta que llega el siguiente pico de tensión, la Figura 3.9 muestra la imagen del Capacitor a utilizar.

Figura 3.9. Capacitor electrolítico 2000 uf a 150 VDC.

3.6 Bobinas

La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético [El-2012].

Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas.

Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.

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Este caso se da en forma continua, cuando una bobina está conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que circula por ella.En otras palabras.

“La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicado y

es proporcional al cambio de la corriente”.

Las bobina que se utilizan son parecidas a un transformador de tres fases, con esto se pretende que al contar con tres diferentes bobinas para regulas y mantener la corriente sepamos cual será la mejor forma de alimentar al reactor y sostener el arco eléctrico jugando con las tres fases: conectando 1 sola 2 al mismo tiempo o 3 si es pertinente.

La bobina es de la marca SBA tipo DVJ150a-50 con un rendimiento de 7000 VA-50/60 Hz, contando en el primario con un voltaje de 208 y el secundario con 380 a 10,60 A.Con la teoría anterior queda armada la fuente de corriente directa por lo que tenemos que ahora conectar el reactor a sus dos terminales para los electrodos de grafito.

3.7 Reactor y Sistema de Crecimiento de Nanofibras de Carbono

El crecimiento de las nanofibras usadas en este trabajo se llevó a cabo mediante una descarga de arco eléctrico con una fuente de corriente continua a alta corriente. El campo eléctrico continuo producido por la corriente de cc a través de los electrodos y la temperatura generada durante el proceso proveen la energía y la dinámica necesarias para la disociación del carbono proveniente de una fuente de hidrocarburo (gas precursor) que en el experimento fue de metano y que se encuentra en una atmósfera inerte de Argón-Metano o Helio-Metano(CH 4+ Ar o CH 4+He ) las partículas catalizadoras de transición están conformadas por una mezcla de Níquel e Itrio (Ni-Y-C).

Durante el proceso una aglomeración de partículas toma lugar en el interelectrodo (GAP) este efecto ha sido observado por varios autores [Ho-1991] [Ja-2003] encontrando que las partículas que fluye a través del GAP dependen del campo eléctrico continuo, la intensidad del campo, la fuerza gravitacional y las fuerzas de fricción actuando en una ecuación Newtoniana.

La Corriente de la fuente tiene que incrementar así como su Presión para que el voltaje suministrado sea menor, entonces, alto consumo de corriente es necesario para sostener un arco eléctrico estable y lograr la sublimación del carbón. Para atomizar una mol de grafito se requieren 716.6 kJ de energía mientras que para el metano en una descarga de plasma es de solo 80 kJ/mol.

Las nanofibras utilizadas en este trabajo fueron obtenidas por el método de Síntesis por descarga de arco eléctrico con una fuente de corriente continua a alta corriente, las nanoestructuras se producen en un reactor de pared de grafito que

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es uno de los electrodos para la síntesis, con un ajuste de electrodos mecánico (figura 3.10), conectado a una fuente de alimentación de alta corriente del orden de 80 V y corriente de hasta 324 A de una derivación de baja tensión.

Figura 3.10. Reactor para producción de nanofibras de carbono por arco eléctrico a alta corriente.

El reactor produce una descarga de arco eléctrico de alta corriente que fue diseñado en el Laboratorio de Aplicaciones de Plasma (LAP) del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) para producir nanoestructuras de carbono, la descarga del plasma fue generada por una fuente de corriente directa de hasta 324 A de 80 V, la fuente fue construida en el laboratorio.

El electrodo superior tiene una longitud de 31 cm y un diámetro de ¼ plg. El electrodo inferior contiene un diámetro de ½ plg con una longitud de 3cm, el catalizador se añade en un orificio del electrodo inferior.

Experimentos anteriores realizados por Pacheco y colaboradores mostraron la producción de fibras de carbono de algunos nanometros con una mezcla de 34%Ni/10. 32%Y/55. 68 % C.

Los campos eléctricos generados con corriente directa son menos intensos dada la elevada conductividad del plasma, cuando este tipo de plasma es generado por alta corriente es ionizado en mayor magnitud, pues los campos eléctricos generados actúan primordialmente sobre las partículas más ligeras y provocan una temperatura mayor en los electrones que en el resto de las partículas pesadas.

La construcción del reactor se llevó a cabo con materiales propios del laboratorio, el cual está estructurado por una base móvil y sobre la base las paredes del reactor la tapa es de celorón donde en el centro se coloca el electrodo superior que está sujeto a un ajuste mecánico para la distancia de los electrodos. El reactor mide con un manómetro desmontable la presión dentro de la cámara y en la parte superior del electrodo conectado un medidor de voltaje. (Figura 3.11).

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Figura 3.11. Reactor utilizado para producción de nanofibras de carbono.

La síntesis y caracterización de NEC en el reactor de corriente directa se llevó a cabo siguiendo un proceso determinado. El flujo de Argón o Helio es de 3 l/min fue usado para la atmosfera inerte.

El procedimiento experimental detallado para producir las nanofibras de carbono es el siguiente:

1. Planteamiento de condiciones de composición de catalizador que favorezcan el crecimiento de NFC.2. Preparación del catalizador y equipos necesarios bajo condiciones adecuadas.3. Inicio de inyección de gas inerte (Argón o Helio) y gas que contenga carbono (Metano).4. Formación de un arco eléctrico estable corriente continúa a alta corriente.5. Inicio de inyección de gas que contenga carbono (Metano).6. Registro de condiciones experimentales.7. Recolección de hollín depositado en los electrodos y en paredes del reactor. Limpieza y recolección del producto recolectado para realizar la caracterización mediante estudios de MET, MEB, DRX.8. Repetición del proceso y discusión de resultados obtenidos hasta establecer las condiciones óptimas de operación.

Cuando la corriente se maximiza produce una descarga de arco. Durante el proceso de éste último plasma se hace pasar un flujo de metano para producir una atmósfera de carbono. Durante la descarga eléctrica el producto se va acumulando en los extremos de los electrodos, en las paredes y parte superior del reactor. El sistema completo usado se muestra en la figura 3.12.

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Figura 3.12. Sistema completo utilizado en LAP para el crecimiento de nanofibras de carbono.

3.8 Diagrama a bloques del Procedimiento Experimental

El procedimiento experimental consiste, primeramente, en plantear las condiciones óptimas de producción de NFC (composición de catalizador, presión de vacío del reactor, flujo de metano, flujo de helio y tiempo de descarga) se producen las mejores fibras de acuerdo a la literatura y a nuestras posibilidades tecnológicas. El diagnóstico de las nanofibras se llevó a cabo mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, difracción de rayos X. Estas técnicas, aunadas con algunos procedimientos matemáticos que se explicarán más adelante proporcionan la morfología y la calidad de las nanofibras. La Figura 3.13 muestra el esquema general del procedimiento experimental.

Figura 3.13. Esquema General del Procedimiento Experimental.

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Planteamiento de condiciones óptimas

de producción de NFC de acuerdo a la

literarura.

Preparación de electrodos con catalizadores incluidos en el

grafito de Ni-Y-C .

Producción de NFC a diferentes condiciones de vacío, voltaje ,

corriente, flugo de helio, flugo de

matano y tiempo de descarga.

Caracterización por medio de: MEB,

MET, DRX.

Cálculos , resultados y conclusiones preliminares.

Conclusiones generales.

3.9 Condiciones optimas de desarrollo para las NFC

En la literatura marca regímenes de trabajo desde cantidad del catalizador hasta niveles de voltaje y de corriente, por lo cual se ha concluido que los condiciones iníciales en las que nos vamos a basar para pruebas iníciales son:

Catalizadores y carbono de la mezcla: Níquel 34%, Itrio 10.32 %, Carbono 55.68%Los catalizadores son nuestro molde para la generación de las nanofibras de carbono, la cantidad anterior se baso en las propiedades de cada material para lograr nanoparticulas con las correctas dimensiones para la adsorción.

Presión interna del Reactor: 560 mm de Hg.Es importante esta característica porque de esta manera logramos extraer lo más posible el aire de nuestro reactor y así tener una atmosfera inerte con algún otro gas al igual que evitar la oxidación interna por el oxigeno.

Cantidad de Mezcla Catalítica: 49mg.Esta cantidad debe de ser controlada para poder generar durante un tiempo determinado las nanofibras de carbono, pero como en nuestro caso ya están implícitas tenemos tiempo ilimitado para la degradación del electrodo.

Gas hidrocarburo Precursor: Metano (CH 4).De este gas tomamos las moléculas de carbono para que de este mismo tengamos las nanofifras de carbono, al igual que los electrodos de grafito y catalizador que son portadores de carbono.

Atmosfera Inerte: Helio o Argón.Estos dos Gases permiten tener una atmosfera ideal libre de oxigeno para trabajar con un arco electro de alta corriente sin ningún riesgo mayor para el sistema y las nanofibras.

Tiempo en Arco: 15 min.Los catalizadores deben de calentarse hasta tener la temperatura ideal de trabajo para poder tener la propiedad correcta para funciona como molde de las nanoestructuras; el tiempo de arco fue para generar nanofibras de carbono.

Corriente y Voltaje en Arco eléctrico: 90A Voltaje extremadamente bajo.La alta corriente ayuda al sostenimiento del arco eléctrico y la erosión del electrodo para la generación de nanofibras, la corriente aumenta y el voltaje disminuye.

Aparte de las condiciones anteriores, necesitamos variar otras variables en el transcurso de las pruebas para generar las condiciones óptimas de las NFC, como lo son:

1. Presión de Vacío.2. Flujo de Gas precursor.3. Flujo de gas para plasma.

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En cuanto a las barras de grafito su diámetro y longitud óptima es de 5 y 40 mm respectivamente; con una separación entre electrodos de menos de 1 mm.

3.10 Tablas de Pruebas 1-2Tabla 3.4. Prueba 1-2

Condiciones. Prueba 1 Prueba 2Catalizadores y Carbono de las mezcla.

No catalizador No catalizador

Presión interna del Reactor

10 in Hg 10 in Hg

Cantidad de mezcla catalítica

No mezcla No mezcla

Gas Hidrocarburo Precursor.

No Gas Metano

Atmosfera Inerte. Argón ArgónTiempo en Arco. 10 min 10 minI/V en Arco 20-25A/10-15V 75A/5-10V

Se necesita cambiar la bobina SBA con un voltaje de 208 en el primario y el secundario con 380 a 10,60 A, el calentamiento de la bobina es excesivo por consecuencia de la alimentación de corrientes de hasta 70A por lo anterior necesitamos cambiar por una de mayor calibre, la dona soporta corrientes del orden de las centésimas.Al igual se cambiaran los electrodos superior de ½ de pulgada de diámetro pos otros de ¼ de pulgada para consumir menor corriente, ya que el diámetro del electrodo influye mucho en la erosión del mismo es por eso que necesitamos reducir el diámetro para erosionar el electrodo con menor corriente. Por consecuencia del cambio de diámetro de los electrodos, el orificio de entrada del electrodo grueso ya no cella con el electrodo de menor diámetro, entonces se fabricara una tapa de calorón con el diámetro indicado.

Tabla 3.5. Prueba 3Condiciones Prueba 3

Catalizadores y Carbono de las mezcla.

No catalizador

Presión interna del Reactor 5 in de Hg.Cantidad de mezcla catalítica No mezclaGas Hidrocarburo Precursor. No GasAtmosfera Inerte. ArgónTiempo en Arco. 5 minI/V en Arco 75-175A/5-10V

En la prueba 3 por el exceso de corriente suministrada la tapa del reactor se quemo ya que no se contemplo en diámetro del electrodo en esta prueba y se suministro la misma corriente que se le demandaba al electrodo grueso.Por lo anterior también se opto por hacer alrededor del electrodo un sistema de canales para el enfriamiento del mismo, el material de la tapa es ahora de Latón.

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La Pieza de la Latón esta defectuosa por que al momento de soldar la pieza se hace en caliente y se empieza a derretir y abrir otros orificios es por esto que es mejor hacer la de acero inoxidable con el mismo sistema de enfriamiento.

3.11 Resistencia (Cálculos e Instalación)

Otro problema es limitar la corriente, al inicio instalamos una bobina de mayor diámetro para que actué como resistencia por el diámetro del cable.Pero sabemos que cuando conectamos una bobina a una fuente de DC, solamente se produce el efecto de la resistencia ofrecida por el alambre con que está fabricada, pero con una pequeña diferencia con respecto a un circuito puramente resistivo.

Cuando aplicamos el voltaje a un circuito resistivo, la corriente toma inmediatamente su valor máximo cuando se cierra el circuito. En cambio, en un circuito inductivo (debido a que posee un inductor), la corriente se tarda un determinado tiempo para llegar al valor máximo.

Gracias a la última prueba tenemos los valores siguientes:

I: 70 AmperesR: 1 Ohms

La formula de la potencia es P=I 2∗R entonces, P=702∗1=4900Watts es mucha potencia teniendo por consecuencia energía calorífica en nuestro reactor. Tenemos que hallar una resistencia muy baja para alta corriente.

Las pruebas para la resistencia correcta son las siguientes:

R=VI=¿

6.12V10 A

=¿.612 ohms. Ahora si necesitamos una corriente de 70A con

una resistencia de .612 ohms tenemos que V=I∗R=70 A∗.612Ohms=42.84Volts

y así mismo con la corriente I=VR

= 15V.612ohm

=24.50 Ampers solo necesitaríamos

esta cantidad para sostener el arco eléctrico.Esto nos reduciría la potencia hasta 2998.8 watts. Se reduce casi la mitad. La resistencia se muestra en la figura 3.14.

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Figura 3.14. Resistencia de .612ohms de alta corriente.

3.12 Optimización de la tapa del reactor con sistema de enfriamiento

La tapa nos reducirá la temperatura del electrodo, así como sabemos que el punto de fusión del acero inoxidable es de 1430°C (2600°F) no tendremos problemas para seguir produciendo nanoestructuras por un largo tiempo, los planos de elaboración de la pieza para sostener el electrodo superior de grafito con su sistema de enfriamiento se muestra en la figura 3.15.

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Figura 3.15. Tapa del reactor.

La cuarta prueba del día miércoles 13 de junio del 2012 se armo el reactor con la nueva tapa enfriadora del electrodo superior, con las siguientes condiciones:

Tabla 3.6. Prueba 4Condiciones Prueba 4Catalizadores y Carbono de las mezcla.

No Catalizador

Presión interna del Reactor 10 in de Hg.Cantidad de mezcla catalítica No mezclaGas Hidrocarburo Precursor. MetanoAtmosfera Inerte. HelioTiempo en Arco. 5 minI/V en Arco 70A/22V

Aun no se agrega el catalizador pero ya se obtuvo muestras de carbono que se encuentra alojado en las paredes, y el tubo de inyección de gases. En la figura 3.16 se ve que las paredes y el tubo son de color negro esto gracias a que el electrodo presento erosión y que el gas precursor (metano) aporta suficiente carbono.

41

a) b)

c) d) Figura 3.16. a) Techo del reactor recubierto de carbón, b)Piso recubierto de

carbón, c)Paredes recubiertas de carbón, d)Tubo de inyección de gases recubierto de carbón.

Se obtuvieron dos tipos de muestras un proveniente de las paredes y otra del electrodo inferior, se examinan de manera rápida para ver qué formación tenían las partículas y los resultados fueron los siguientes:

3.13 Prueba número 5 con catalizador

Gracias a que ya podemos ver una correcta degradación del electrodo y la correcta aportación de carbono por parte del gras hidrocarburo precursor, el metano, ahora podemos añadir los catalizadores. La mezcla está compuesta de Ni-.6%at Y-.6%at y Carbón (Grafito).Los catalizadores tiene un gran papel en la elaboración de las nanofibras, la primera es que se ionizan fácilmente atrayendo las moléculas de carbono, la segunda es que cuentan con una estructura cristalina, por esto hace el trabajo de un molde.Antes de iniciar tenemos que saber cuánta cantidad se suministra de catalizador, para poder definir condiciones optimas de trabajo.

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Los valores se muestran en la tabla 3.7, el peso del electrodo superior también se midió porque necesitamos saber cuánta cantidad del electrodo se degrada, así mismo el peso del electrodo inferior con y sin catalizador.

Tabla 3.7. Peso de electrodos y catalizador.Elemento CantidadElectrodo inferior sin catalizador 8.171gElectrodo inferior con catalizador 8.432gElectrodo superior 15.310gCatalizador .261g

Para la prueba número 5 que se que se realizo el día jueves 14 de junio de 2012, es la primera vez que se añade un catalizador, la cantidad de catalizador se menciono en la tabla 3.7; retomaremos las condiciones oprimas de trabajo de nuestra última prueba, las cuales se mencionan a continuación en la tabla 3.8 donde podemos notar que ya se añadió catalizador y la presión se redujo.

Tabla 3.8.Prueba 5Condiciones Prueba 5Catalizadores y Carbono de las mezcla.

Ni-.6% at, Y-.6% at, C (Grafito)

Presión interna del Reactor 0 in de Hg.(Presión Atmosférica)Cantidad de mezcla catalítica .261gGas Hidrocarburo Precursor. MetanoAtmosfera Inerte. HelioTiempo en Arco. 15 minI/V en Arco 70A/22V

En el transcurso de la prueba se tomaron fotografías del proceso, así como valores de Voltaje, Amperaje y Flujo del gas precursor e inerte (figura 3.18). En la figura 3.17 se muestra el calentamiento del electrodo cuando la corriente es de 70A y la intensidad luminiscente del arco eléctrico.

43

a) b)

Figura 3.17. Proceso de la prueba .a) electrodo al rojo vivo por la gran cantidad de corriente suministrada. b) gran cantidad luminiscente del arco eléctrico.

a) b)

c) d)

Figura 3.18. Mediciones de la prueba 5.a) Flujometro. b) Voltímetro analógico. c) Barómetro. d) Amperímetro de gancho.

Al finalizar la prueba 5 de 15 minutos obtuvimos un poco mas de producto para analizar, así como una mejora en los filamentos vistos en el cátodo inferior, también se encuentra en depósito de metales en el electrodo superior, las imágenes de la figura 3.19, muestran el producto en las paredes y electrodos.

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a) b) c)Figura 3.19. Producto en Paredes y Electrodos. a) Techo con restos de carbono)

Electrodo. c) Superficie del reactor.

Para poder saber cuánto se degradaron los electrodos y cuanta mezcla catalítica se evaporo pesamos de nuevo los electrodos y los resultados se citan en la tabla 3.9..

Tabla 3.9. Peso de los electrodos después de la prueba 5Elemento CantidadElectrodo inferior con catalizador 8.421gElectrodo superior 15.33

3.14 Cambio del Reactor

Para aumentar la eficiencia en la síntesis de nanofibras de carbono necesitamos un reactor de acero inoxidable que permita que las paredes se refrigeren, al igual que incrementar la presión con una bomba de mayor potencia de marca Alcatel con número de Serie 326838 de tipo 202150, el sistema completo con el nuevo reactor y con la nueva bomba se muestra en la figura 3.20.

Figura 2.20. Nuevo sistema utilizado en LAP para el crecimiento de nanofibras de

carbono.

45

3.15 Prueba 6 y 7 con nuevo reactor

La siguiente prueba numero 6 se realizo el día martes 26 de junio de 2012, se peso de nuevo los electrodos superior e inferior con y sin catalizadores para saber cuánta erosión hay en cada uno, el electrodo superior tiene un diámetro ¼ con una longitud de 22cm y el inferior un diámetro de ¼ con una longitud de 10.5cm.Las mediciones se citan en la tabla siguiente:

Tabla 3.10. Peso de electrodos y catalizador del aprueba 6Elemento CantidadElectrodo inferior sin catalizador 4.207gElectrodo inferior con catalizador 4.222gElectrodo superior 10.678Catalizador .015g

Retomaremos algunos parámetros que se utilizaron en la última prueba, solo que en esta ocasión retiraremos el gras hidrocarburo precursor (Metano) y solo inyectaremos el gas inerte (Helio), las condiciones restantes se mencionan en la Tabla 3.11.

Tabla 3.11. Parámetros de la prueba 6.Condiciones Prueba 6Catalizadores y Carbono de las mezcla.

Ni-.6% at, Y-.6% at, C (Grafito)

Presión interna del Reactor De 20 inHg a 0 inHg.(Presión Atmosférica)

Cantidad de mezcla catalítica .015gGas Hidrocarburo Precursor. No GasAtmosfera Inerte. HelioTiempo en Arco. 8 minI/V en Arco 60A/30V

La corriente fue más constante controlándola por medio de la distancia entre electrodos, esta distancia entre electrodos fue variando de 1mm y 3mm, la corriente inicial fue de 70A con un voltaje de 25V y una distancia entre electrodos de 1mm a medida que separamos el electrodo la corriente disminuía y el voltaje aumentaba llegando hasta los 60 A y 30-35V con una distancia entre electrodos de 3mm. Las fotografías tomadas durante la prueba se muestran en la figura 3.21., en las cuales se observa la separación de los electrodos provocando un arco eléctrico más largo, así como en las mirillas del reactor la gran intensidad luminosa que produce el arco eléctrico.

46

a) b)

c) d)Figura 3.21. Proceso de la prueba 6.a) Mirilla superior b),c),d) Mirilla frontal.

El mismo día 26 de junio de 2012 se hizo la prueba número 7 en la cual se redujo el tiempo del arco eléctrico; al igual que en la prueba anterior se cancelo la inyección de gas hidrocarburo (Metano), se añadió mas catalizador Ni, Y, C, para mayor crecimiento de las nanofibras de carbono homogéneas, con un análisis elemental de hasta 97.3% de C.Los parámetros se citan en la tabla 3.12.

Tabla 3.12. Parámetros de la prueba 7Condiciones Prueba 7Catalizadores y Carbono de las mezcla.

Ni-.6% at, Y-.6% at, C (Grafito)

Presión interna del Reactor De 20 inHg a 0 inHg.(Presión Atmosférica)

Cantidad de mezcla catalítica .216gGas Hidrocarburo Precursor. No GasAtmosfera Inerte. HelioTiempo en Arco. 5 minI/V en Arco 60A/30V

47

Durante el proceso hay formación de nubes gracias a la evaporización de los catalizadores y la erosión existente en los electrodos así como pequeñas chispas que brotan del electrodo portador del catalizador, por calentamiento del mismo. En la figura 3.22 se muestran imágenes del proceso de síntesis de nanofibras de carbono, notando la gran intensidad de luz proveniente del arco eléctrico así como vistas de los electrodos trabajando a una distancia de 1mm máximo.

a)

b)Figura 3.22. Procesos de la prueba 7.a) Arco eléctrico desde mirilla y reflejo. b)

Luminosidad expedida del reactor.

48

CAPITULO 4

RESULTADOS

4.1 Resultados del MEB de la prueba 4

La muestra de las paredes es solo carbón amorfo y la muestra del electrodo tiene pequeñas conglomeraciones de esferas de un diámetro de 233nm el microscopio que se utilizo fue el Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-5900LV que arrogo la siguiente imagen de barrido

Figura 4.1. Muestra 1 Paredes 13-06-12

4.2 Resultados en MEB de la prueba 5

La preparación de la muestra para Microscopia Electrónica de Barrido se hizo con los siguientes pasos y condiciones.1. Pulverizar con mortero.2. Colocar en alcohol liso-propílico.3. Ultrasonido para homogenizar la mezcla durante 15 minutos.4. Colocar en el porta muestras de aluminio pulido y se deja secar durante 5

minutos.5. Recubrimiento de oro con un equipo sputtering durante 120 segundos.

Parámetros:Vacio: 30 minutos a alto vacio.Voltaje: 20-25 KVAumento: 100X hasta 40000X

Para la prueba de Difracción de Rayos X la muestra solo se pulveriza y se coloca en un porta muestras compactado.

Parámetros:Voltaje: 40KVAmperes: 30mAAngulo 2θ:10° a 100°Step drive 0.04/1sStep time: +Range time: 38min.

49

El MEB mostro la morfología de las muestras tomadas de la prueba 5 las cuales se ilustran en la figura 4.2 las imágenes de barrido tienen diferentes aumentos observando que solo existen conjuntos de partículas que presentan el inicio de la creación de filamentos, cabe mencionar que en la prueba 5 se trabajo con una presión atmosférica, esto influye mucho en la creación del las nanofibras.

a) b)

c) d)Figura 4.2 Imágenes MEB de la Prueba 5. a) Aumento 250 X. b) Aumento 1000 X.

c) Aumento 5000 X. d) Aumento 10000 X.

4.3 Resultados en DRX de la prueba 5

La cantidad de nanofibras de carbón relativamente alta se corrobora con el análisis por difracción de rayos X. Se muestran los resultados obtenidos de la figura 4.2, en donde 5 patrones de XRD son sobre puestos para identificar la estructura cristalina de las nanofibras situadas a 26.15. Cada patrón corresponde a muestras muy específicas. es la muestra obtenida de la síntesis de nanofibras de carbono de la prueba 5 de LAP. y son los patrones obtenidos de las propiedades de los nanotubos. grafica de parámetros que muestra propiedades hexagonales de carbón. grafica de parámetros que muestra propiedades hexagonales de Grafito.

50

Figura 4.3. Difractograma de XRD sobre poniendo 5 graficas indicando parámetros y condiciones similares.

El difractograma de las NFC optimizadas fue el que se observa en la figura 4.3, en ella se muestran también los planos cristalográficos del nanomaterial.

Figura 4.4. Patrones de difracción para nanofibras obtenidas en el LAP.

51

El patrón de difracción de rayos X de la figura 5.10 muestra una estructura con cuatro picos definidos, que representan los planos (002), (100), (004), (110) análogos a los primeros picos del patrón de DRX del grafito planar hexagonal, que lo cual indica que las nanofibras están compuestas de una estructuragrafítica de corto alcance [We-2005] [Hs-2003]. Los picos más intensos son el (002) y el (100) respectivamente y están cercanos a 26.15° y 44.52° en el sistema 2 θ, Respecto al ángulo 2 θ =26.15°, éste corresponde a un intervalo de diámetros exteriores para nanofibras de 70 a 100 nm. otros autores [Ra-2004b] que se basa en la celda unitaria hexagonal del grafito, la distancia interplanar principal calculada desde al pico máximo corresponde a un espaciamiento interplanar de 3.38 Angstroms. El ancho de los picos (100), (004), (110) refleja un mediano desorden de las capas de grafito en las NFC. Los resulta dos muestran similitud con los de Wei Xia et. al. [We-2005] tal como se aprecia en la figura 4.5 y son cercanos a los de JuYan et. al. [Fe-2005], inclusive, son comparables a los de Danilov et. al. [Da-2004].

Figura 4.5. Patrones de difracción para nanofibras reportadas por W. Xia

4.4 Resultados en DRX de la prueba 6 y 7

La formación de hollín es un proceso típico de formación de carbono en un proceso catalizado.Se tomaron muestras del electrodo superior, estas muestras son sometidas a análisis de Difracción de Rayos X.

La muestra solo se pulveriza y se coloca en un porta muestras compactado.

Parámetros:Voltaje: 40KVAmperes: 30mAAngulo 2θ:10° a 100°Step drive 0.04/1sStep time: +Range time: 38min.

52

Las graficas obtenidas del análisis son las siguientes.

Figura 4.6. Patrones de difracción para nanofibras obtenidas en el LAP en la Prueba 7.

El en primer análisis de DRX se añadió la grafica de comprobación que proviene de la literatura que muestra los patrones de difracción para nanofibras reportadas por W. Xia, haciendo de nuevo esta comparación se llega a los resultados que señalan hay una acumulación relativamente media de las NFC.

4.5 Resultados en TEM de la prueba 6 y 7

Para el análisis en Microscopia Electrónica de Transmisión se desean conocer las dimensiones de las NFC, sacaremos dimensiones de 3 micrografías y sacaremos el promedio sin carbono amorfo, al igual que necesitamos un análisis elemental de peso porcentual de carbono y itrio. Consultar información en A.6. Análisis cuantitativo de la muestra del electrodo.

La muestra se prepara con los siguientes pasos.1. Moler la muestra en un mortero.2. Se coloca en alcohol iso-propilico.3. 15 min. de ultrasonido para homogenizar la muestra.4. Colocamos una gota en la rejilla de cobre y dejamos secar 5min.5. Insertar en microscopio en vacio de 30 min.

Parámetros.Vacio: 30 min.V Acel : 400 kVLCam :120 cm.

53

Comparando las micrografías obtenidas en TEM se encontró que las más parecidas a las publicadas por otros autores son las de la figura 5.16a, las cuales están compuesta prioritariamente de nanofibras de carbono similares a las obtenidos por Boskovic en la figura 4.7b y de Chen en la figura 4.7c como lo puede apreciar en la figura 4.7b y 4.7c. Algunas nanofibras tienen terminaciones abiertas anulares, mientras que otras están cerradas.

a) b)

54

c)Figura 4.7. Micrografías MET para nanofibras de carbono reportadas por

Boskovic y De Chen

Para conocer las dimensiones de las nanofibras se tomaron los diámetros de tres micrografías de nanofibras optimizadas y se obtuvo un promedio de diámetros entre todas las fibras. De la misma forma, se llevó a cabo una ampliación sobre una de las nanofibras para obtener la micrografía de la figura 4.8.

Figura 4.8. Micrografía TEM de un segmento de nanofibra optimizada.

55

El diámetro de la fibra se aprecia en la figura 4.8. Sin considerar el carbón amorfo es de 45 nm. De igual manera, se tomaron algunas micrografías con alta resolución del producto con una morfología hueca de tipo bambú (figura 4.9) que consisten de conos apilados.

Figura 4.9. Nanofibra de carbono tipo bambú.

56

CAPITULO 5CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

Con los experimentos realizados con la técnica de arco eléctrico con una fuente de corriente directa de alta corriente se determino lo siguientes.

Este método es simple para la formación de nanofibras de carbono, el control de la corriente por medio de la distancia de los electrodos es fácil, limitando los picos de corriente entre 100 y 170 A con una resistencia de .612 ohms de alta corriente.El empleo de los electrodos de menor diámetro (1/4”), favorece a la degradación de los mismos a una corriente contante desde 35A hasta los 70A para mayor rapidez de erosión.La influencia al incremento de la potencia es notoria al observar rendimientos más altos en la síntesis de las nanofibras de carbono.El empleo de la mezcla catalítica Ni/Y favorece la síntesis de las nanofibras de carbono

La mezcla Ni/Y permite que tenga una ionización más rápida. La mezcla Ni/Y tiene un punto de fusión más bajo, lo que permite una

formación de vapor más rápida y por ende una mayor homogenización e integración.

La mezcla Ni/Y tiene mayor conductividad, lo que permite una erosión más homogénea del electrodo inferior pues la distancia de la energía aplicada será mejor distribuida en el volumen del electrodo.La concentración del catalizador influye mucho en concentración homogénea de las nanofibras de carbono, al igual que favorece el análisis elemental para concentración de carbono.En el caso de plasma con gas Metano, el incremento de la temperatura favorece el craqueo de la molécula, pero también se debe de reducir la relación del hidrogeno, para engrosamiento de las NFC. Las temperaturas utilizadas para la síntesis de nanofibras se hallan generalmente comprendidas entre 650 y 900ºC.El metano es buen gas portador de carbono, los potenciales de ionización y disociación del metano son más bajos que el grafito, esto contribuye al aporte necesario de carbono para la formación de las NFC solo en potencias de bajas, ya que la a potencia alta degrada el electrodo.Los análisis de DRX muestran una gran propiedad de digraccion en la estructura cristalina que indica que hay una correcta formación de nanofibras de carbono.Las micrografías obtenidas en el TEM concluyen que la correcta formación de las NFC.

5.2 Recomendaciones

Por esta técnica es esencialmente un proceso de dos etapas, en una primera etapa se preparan los catalizadores y en una segunda etapa se crecen las

57

nanofibras. Los catalizadores son preparados generalmente dispersando nanopartículas de un metal. Dado que el elemento activo es el metal en estado elemental, es necesario un tratamiento de reducción con hidrógeno para inducir la enucleación de partículas catalíticas. En la siguiente etapa (el catalizador ha de estar ya en todo momento en atmósfera controlada libre de aire), se introduce en el sistema la fuente de carbono para producir el crecimiento de las nanofibras, para cumplir de forma satisfactoria la correcta estructura de las nanofibras de carbono se recomienda lo siguiente.

Durante la etapa de crecimiento de nanofibras, suele seguir utilizándose hidrógeno como gas portador ya que este inhibe la formación de carbono amorfo.Mezcla catalítica: Respetar el porcentaje atómico para catada uno de los elementos del catalizador como a continuación se cita Ni 34% at, Y 10.32% at, C 55.68% at, esto con la finalidad de obtener nanofibras con diámetro de 75nm con una morfología homogénea y un análisis elemental de carbono de 98.87%Cantidad catalítica: El rango óptimo para la producción de nanofibras de carbono es de 30mg a50mg dependiendo de la cavidad para introducir el electrodo.La presión debe de mantenerse constante entre 15 inHg y 20 inHg ya que si mantenemos mayor presión tendremos menor cantidad de Hidrogeno.Con respecto al flujo del gas hidrocarburo precursor mantener una relación entre lis litros de gas suministrados y la cantidad de amperaje suministrada en amperes, a mayor flujo de gas mayor corriente.Cambiar la tapa del reactor hecha de celorón por una de acero inoxidable de doble pared para la refrigeración, asilar la tapa para que solo se conduzca la corriente por el electrodo y no por el reactor.Fijar el reactor con respecto al mecanismo para el ajuste de los electrodos.Añadir una extensión de varilla para de la base mecánica hasta el interior del reactor para evitar mermas con los electrodos de grafito.Automatizar el sistema mecánico de ajuste de los electrodos utilizando un motor unipiont de 12V controlado con un PLC Delta CPU DVP14SS+ Módulos expansores DVP16SP con una pantalla táctil DOP-A57GSTD para la visualización y control del proceso.Cambiar el lente de la mirilla pequeña por un cristal de protección de energía radiante de con protección mínima de 225 amperes.

5.3 Matriz de Comparación

Parámetros/Información

Información de la Bibliografía(Antes)

Información de los resultados (Después)

Comentarios de las variaciones en los parámetros.

Dimensiones de las barras de grafito.

Diámetro de .5 mm y longitud de 40 mm.

Diámetro de 6.35 mm y longitud de 10.5 cm.

La reducción de los electrodos facilito y apresuro la erosión de los mismos.

Distancia entre electrodos

1mm 1mm La distancia se respeto para poder generar descargas eléctricas entre los electrodos.

58

Voltaje 20V 30V El Voltaje es mayor dado que al momento de generar la descarga eléctrica tengamos suficiente corriente para sostener el arco.

Corriente 100ª 60ª La corriente se redujo y limito con la ayuda de una resistencia de .612 para evitar que el material aislante se quemara.

Potencia 2000W 2998.8W La resistencia también fue usada para reducir la potencia e incrementar la eficiencia.

Presión 15.74 inHg 20 in Hg Aumento de Presión para favorecer el crecimiento de las NFC y evitar su evaporación.

Temperatura

De 2000 °Ca 3000 °C

2500 °C La temperatura se redujo con un enfriador para reducir posibilidades de quemaduras en el aislante.

Tiempo 5 min 5 min El tiempo se mantuvo para comparar pureza y cantidad

Mezcla catalítica

10.32% Y, 34% Ni, 55.68% C

.6% Y, .6% Ni, 98.8% C

La mezcla catalítica aumento en carbono para tener más síntesis de nanofibras de carbono.

Gas Precursor

Metano No Gas Precursor

Se corto la inyección de este gas ya que la corriente suministrada era suficiente para la degradación de los electrodos.

Gas Inerte Argón-Helio Argón Al mantuvo una atmosfera inerte nos ayuda al sostenimiento del arco eléctrico y evitar oxidaciónes.

Nanofibras Alta Pureza poca Cantidad

Alta Pureza Alta Cantidad

Aumento en la cantidad obtenida por la influencia de la mezcla catalítica y la corriente constante controlada al igual que la separación de los electrodos no menor a 1mm.

59

GlosarioAbreviatura, Símbolo y Variables

Significado

AA

AmpereÁrea Transversal de Arco Eléctrico

acAe

Corriente AlternaConstante de Emisión

ATG, TGA Análisis TermogravimétricoCasp Corriente (o razón) de AspectoCnHm Compuesto con n Carbonos y m Hidrógenos.CH 4 MetanoCVD Deposición Química en Fase de VaporCOx ´ sCRTd

Óxidos de CarbonoTubo de Rayos CatódicosDistancia entre Electrodos

DDDRX, XRDDATG, DTGAdcE

E→

EDXAeVEa

Eades

EELSEDSFC

FEMFR

GGGAPHOPGKK B

KHzllmMET, TEMMEB, SEMMFA, AFMμmμfMPa

Diámetro de la nanoestructuraPico Raman de DesorciónDispersión de Rayos XDerivada de % peso respecto a la temperatura de un TGACorriente DirectaCampo Eléctrico EscalarCampo Eléctrico VectorialAnalizador de Dispersión de Energía de Rayos XElectrón-VoltEnergía de ActivaciónEnergía de Activación de DesorciónEspectrometría por Perdida de EnergíaEspectrometría por Perdida de DesorciónFlujo ConductivoFuerza ElectromotrizFlujo RadiactivoPico Raman de Grafitización.Función GaussianaAglomeración de Partículas en el InterelectrodoGrafito Porolitico Altamente OrientadoKelvinConstante de BoltzmanKilo HertzLongitud Axial del PlasmaLongitud de la NanoparticulaMasaMicroscopia Electrónica de TransmisiónMicroscopia Electrónica de BarridoMicroscopia de Fuerza AtómicaMicrómetroMicro FaradioMega Pascales

60

MWCNTmmHgm0

mT

mf

neNFC, CNFNTC, CNTNEC, CNSNETLnmNOx ´ sSWCNTpPProm

PANVGCNFQrRRp

SOx ´ stTT e

T g

TPaT o

T r

T r¿

uauavdvrV bd

V p−p

WW ki

W n

Ww%1D2D3D∆

∆ λ

Nanotubo de Carbono Multiparedes.Milímetros de MercurioMasa inicial de la muestra para TGAMasa i-ésima de la muestra para TGAMasa final de la muestra para TGA.Densidad de ElectronesNanofibras de CarbonoNanotubo de CarbonoNanoestructuras de CarbonoFuerza de Equilibrio Térmico LocalNanometroÓxidos de NitrógenoNanotubo de Carbono UniparedPresión de trabajo dentro del ReactorPotencia PromedioPoliacrilonitriloNanofibras de Carbono Crecidas en Fase de VaporCalidad de la NanoestructuraRadioRadio Máximo del PlasmaResistencia Eléctrica del PlasmaÓxidos de AzufreTiempoTemperaturaTemperatura de Excitación(Temperatura de electrones)Temperatura de Partículas PesadasTera PascalesTemperatura de OxidaciónTemperatura RotacionalTemperatura Rotacional de ReferenciaVoltaje aplicado al PlasmaUnidades ArbitrariasVelocidad de derivación del PlasmaVelocidad RadialVoltaje de Rompimiento en GasesVoltaje pico-picoEnergíaEnergía de Excitación de una line EspectralValor de la Energía de nivel n de una line EspectralWattsPorcentaje en peso1 Dimensional2 Dimensional3 DimensionalFunción o Resolución del espectrómetro a utilizar en el diagnostico por OESEnsanchamiento de la línea Espectral

61

χδε kiγφλλ0

Σ

Conductividad TérmicaDensidad de Carga por VolumenEmisividad de una línea EspectralDensidad e Masa por VolumenFunción de TrabajoLongitud de OndaConductividad Eléctrica

62

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ANEXOSFUTUROS ANALISIS PARA LAS NANOFIBRAS DE CARBONO OPTIMIZADAS

A.1 Espectrometría Raman

Otra técnica ampliamente usada en caracterización de nanoestructuras de carbono es la espectroscopia Raman y es quizá la técnica de caracterización más utilizada para estudiar nanoestructuras de carbono [Lu-2004] [Ki-2004] [Jo-2001] [Ng-2003]. La espectroscopia Raman es un proceso resonante asociado con una transición óptica entre puntos en la densidad de estados electrónica 1-d, el diámetro y la naturaleza metálica (o semiconductora) de las nanoestructuras determinan la energía de transición óptica permitida y, por lo tanto, esta característica es usada para determinar el diámetro y la naturaleza de nanoestructuras de carbono.

La espectroscopia Raman es una técnica usada en física de material condensada y química para estudiar modos vibracionales y rotacionales en un sistema [Ga-1989]. Un espectrómetro Raman hace uso de la dispersión inelástica, o la dispersión Raman de la luz monocromática, generalmente de un láser en el visible, cerca de infrarrojo, o cerca del ultravioleta. La luz láser interactúa con los fonónes y otras excitaciones en el sistema, dando por resultado la energía de los fotones del láser que son cambiados hacia arriba o abajo. El cambio en energía da información sobre los modos del fonón en el sistema. La espectroscopia infrarroja proporciona información similar, pero complementaria. En esta técnica, una muestra es iluminada con un haz de luz láser, la luz del punto iluminado se recibe con una lente y se envía a un monocromador. Las longitudes de onda cercanas a la línea del láser (debido a la dispersión Rayleigh elástica) se filtran hacia fuera y se dispersan sobre un detector que interpreta la intensidad y la longitud de onda. Los espectrómetros de Raman utilizan típicamente rejillas de difracción holográficas y etapas múltiples de dispersión para alcanzar un alto grado de protección del láser, los detectores del CCD han hecho la adquisición espectral mucho más rápida. El efecto Raman ocurre cuando la luz que incide en una molécula la afecta e interactúa con la nube electrónica de los enlaces de esa molécula (figura A.1). El fotón incidente excita uno de los electrones en un estado virtual. El Espectrómetro empleado fue el HR LabRam 800(figura A.2).

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Figura A.1. Energías Rayleigh y Raman

Figura A.2. Espectrómetro de dispersión Raman HR LabRam 800.

Generalmente se utiliza un láser de potencia de excitación con longitud de onda de 600 nm y 900 nm a potencia de unos cuantos miliWatts para obtener picos característicos de nanoestructuras de carbono, particularmente de nanotubos y nanofibras, como los mostrados en la figura A.3 [Ol-2004].

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Figura A.3. Espectro Raman típico de nanoestructuras de carbono [Ol-2004].

En la figura A.3 el pico G es atribuido la vibración longitudinal C-C de las capas de grafito e indica el grado de grafitización en las nanoestructuras de carbono, este pico se encuentra entre las longitudes de 1500 y 1600 cm−1 y precisamente de ahí deriva su nombre (Graphitic peak). El pico D (Disorder) es el pico relacionado al desorden, está situado entre 1200 cm−1 y 1400 cm−1 y esta es relacionado con la existencia de fragmentos de carbón amorfo, es decir, es el pico asociado a la estructura grafítica imperfecta en una nanoestructura de carbono y el pico B (entre 150-250 cm−1) usualmente esta relacionado con el diámetro de la nanoestructura (radial Breathing mode).

En base al espectro Raman anterior, el principal criterio para determinar la calidad de las nanoestructuras de carbono está dado por la ecuación

Q=DG

Donde Q es el parámetro de calidad Raman, D es la altura del pico del desorden, medida desde la referencia y G es la altura del grafítico medido desde la referencia. Los valores de Q se encuentran en un intervalo de 0.1 hasta 3.0 aproximadamente para nanotubos y nanofibras.

A.1.1 Preparación de las Muestras para Espectroscopia Raman

La muestra optimizada únicamente se tritura hasta volverla un fino polvo con una masa de 200 mg y se depositó directamente en el espectrómetro.

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A.2 Análisis Termogravimétrico

El análisis termogravimétrico (TGA) es una técnica analítica utilizada para determinar la estabilidad térmica de un material, su fracción de componentes volátiles, el comportamiento de la desorción, de moléculas líquidas o gaseosas en un material sólido, para estimar la energía de activación de la deserción (descomposición) vía reacciones químicas durante el proceso de calentamiento en una atmósfera controlada hasta altas temperaturas (típicamente hasta 1000°C). El análisis se lleva a cabo con un alto grado de precisión, Esto se lleva a cabo por medio de la medición del cambio en peso de un material en función de la temperatura cuando éste es calentado, se puede calentar a temperatura constante, lineal o variable. Dichas mediciones se llevan a cabo en una atmósfera de aire, nitrógeno u otros gases de arrastre inertes como el helio o argón. En algunas ocasiones la prueba se desarrolla en una atmósfera combinada de 1 a 5 % de O2 en N2o He para retrasar la oxidación. El equipo utilizado comúnmente (figura A.4) consiste de una balanza de alta precisión con un recipiente cargado con la muestra, la muestra es colocada en un horno pequeño eléctricamente calentado, y tiene conectados termopares para medir la temperatura con precisión. La atmósfera se purga con gases inertes para prevenir la oxidación u otras reacciones no deseadas. La computadora controla el proceso.

Figura A.4. Esquema general de un TGA.

Los equipos de TGA suelen dividirse en dos grupos generales: de balanza horizontal y vertical. Para este trabajo se usó el TGA/DSC 1 de la marca Mettler Toledo, con un análisis desarrollado en una atmósfera de nitrógeno a 50ml/min y una rampa lineal de temperatura de 10°C/min. con una constante de calibración de 1. Los equipos TGA proporcionan parámetros de masa de la muestra inicial, masa final, temperatura inicial, temperatura final y carbón amorfo, grafito, materiales del portamuestras, contaminantes ambientales y, por supuesto, el contaminante tóxico que anexamos (óxido de nitrógeno NO).

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Una curva de termogravimétria simple muestra un grafico de temperatura contra pérdida de peso (designada como TGA) y otra de la derivada de la pérdida de peso respecto a la temperatura (llamada DTGA) por separado o juntas. Debido a que muchas curvas de cambio de peso contra cambio de temperatura son muy similares, la curva de pérdida de peso puede requerir una transformación antes de interpretar sus resultados. Una derivada de la curva de pérdida de peso puede ser usada para analizar los puntos críticos de la curva, por ejemplo, el punto en el cual la pérdida de peso es más aparente o significativa, aunque también se puede requerir de una de convolución de los picos traslapados.

Las figuras A.5 y A.6 muestran los picos a los cuales de velocidad de pérdida de peso es máxima. Además de la masa residual M res(o ceniza), la temperatura de oxidación se define como T 0=T mdTmaxy representa el punto de pérdida de peso es más evidente. La figura A.5 también muestra un grafico de la derivada de pérdida de peso respecto a la temperatura (DTGA).

Figura A.5. Curva de análisis termogravimétrico para un nanotubo purificado.

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Figura A.6. TGA y DTGA para un SWCNT purificado [Pa-1993].

La figura A.6 es la representación típica de un TGA y DTGA de un nanotubo de una sola pared sintetizado por CVD y purificado [Pa-1993]. Varios autores realizaron análisis TGA y TPD para nanoestructuras de carbono [Yu-2002] [Ma-2004] [Br-1995] [Pi-2000] [El-2004] observando comportamientos similares.

A.3 Purificación de las Nanofibras de Carbono

El producto obtenido está conformado por nanofibras de carbono que contienen impurezas como las nanopartículas de catalizador (Níquel e Ytrio) y la mayoría se congrega en uno de los electrodos en forma sólida, también contiene carbón amorfo, grafito y otras impurezas propias derivadas de los materiales de construcción del reactor, la producción del plasma y la manipulación, sin olvidar el ambiente. Sin embargo, se deben conocer las condiciones óptimas para obtener las fibras con mejor calidad y cantidad posibles con la menor presencia de carbono amorfo y grafito y con estructuras mayormente simétricas y tubulares. Por tal motivo, las nanofibras deben someterse a una purificación que consiste básicamente en un tratamiento con tolueno. Aunado a ello se les da un tratamiento posterior con calentamiento a alta temperatura, sin embargo, este proceso puede modificar la estructura de las fibras [Bu-2004] pero en este trabajo no se llevó calentamiento posterior.

Para homogeneizar la muestra optimizada de nanofibras obtenida en el LAP se mezclaron con alcohol isopropilico y se colocó en un equipo de ultrasonido durante 15 minutos a 25ºC, previa introducción de las mismas en tolueno en un lapso de 48 horas para su purificación.

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A.4 Equipo Experimental para la Contaminación

Se utilizó una cámara construida en el laboratorio para contaminar las nanofibras, el dispositivo consiste en una cámara de tubo de cuarzo con diámetro exterior de 60mm y de 5mm de espesor. La cámara está sellada con tornillos y arosellos para evitar que el aire ambiental ingrese y los gases contaminantes salgan, tiene dos conexiones, una para llevar a cabo el vacío y otra para inyectar el gas contaminante (NO2).Asimismo, un manómetro y un flujómetro están conectados al equipo para registrar la presión y la masa de gas contaminante que ingresan a la cámara. Después de obtener el producto y determinar mediante caracterización que es de buena calidad, se procede a almacenarlo en viales sellados, las muestras se colocan dentro de la cámara, se genera vació en la cámara y se introduce el gas contaminante hasta que la cámara llegue a la presión atmosférica, este gas contaminante se mantiene por 48 horas y se llevó al termogravímetro para medir su capacidad de adsorción y calcular su energía de activación de adsorción. La figura A.7 muestra una ilustración de la cámara de contaminación.

Figura A.7. Cámara para contaminación de nanofibras.

A.5. Análisis cuantitativo de la muestra del electrodo

En la figura A.8. se muestra el análisis cuantitativo de los elementos encontrados en la muestra, entre ellos se puede notar que la grafica muestra contenido de Aluminio, Oxigeno, Carbono, Fierro. Entre los porcentajes atómicos más altos esta el Sodio, Silicio y Aluminio con una concentración de 10.49% at, 44.98 % at, 42.3% at. respectivamente.

Con respecto a la figura A.9 el porcentaje atómico del Aluminio es de 10.32% at, del Silicio es de 17.32% at. y con mayor concentración el Oxigeno con 61.48% at. ambas pruebas se hicieron con una velocidad de aceleración de 200kV y un ángulo de 25º.

En conclusión se nota que hay gran concentración de materiales ajenos a los utilizados en para la fabricación de las nanofibras, es posible que se tenga que purificar las nanofibras de carbono para un mejor análisis. Sin embrago las gráficas de DRX y las imágenes en TEM indican un correcto crecimiento de las nanofibras de carbono.

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Figura A.8 Análisis cuantitativo con Carbono.

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Figura A.9 Análisis Cuantitativo sin carbono.

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