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https://hdl.handle.net/20.500.12104/98084Registro completo de metadatos
| Campo DC | Valor | Lengua/Idioma |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | Rodríguez Betancourtt, Verónica María | |
| dc.contributor.author | Ramírez Ortega, Jorge Alberto | |
| dc.date.accessioned | 2024-03-11T18:10:36Z | - |
| dc.date.available | 2024-03-11T18:10:36Z | - |
| dc.date.issued | 2023-04-21 | |
| dc.identifier.uri | https://wdg.biblio.udg.mx | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.12104/98084 | - |
| dc.description.abstract | En este trabajo, se presentan los resultados correspondientes a materiales con estructura tipo trirutilo de antimoniato de níquel (NiSb2O6) y antimoniato de bario (BaSb2O6) para su potencial aplicación como sensores de gases de atmósferas estáticas (CO y C3H8) y vapores de solventes dinámicas de metanol, etanol e isopropanol a temperatura de operación de 200 hasta 300 °C. Para ello, los materiales en polvo de NiSb2O6 y BaSb2O6 se sintetizaron mediante un proceso de sol-gel modificado asistido con radiación de microondas (proceso de química húmeda) en presencia del agente quelante etilendiamina. El propósito de usar este surfactante es controlar la morfología y el tamaño de las partículas. La evolución cristalina de cada compuesto fue analizada por difracción de rayos X a 600, 700 y 800 °C. La estructura cristalina principal de los compuestos fue obtenida a una temperatura de 800 °C. Con los polvos calcinados a 800 °C, se analizaron por microscopía electrónica de barrido (SEM) y de transmisión (TEM), encontrando diferentes tipos de morfologías y tamaños de partícula. Para el caso del óxido NiSb2O6 se identificaron poliedros y partículas en toda la superficie. Con respecto al óxido BaSb2O6, se encontró la formación de microestructuras en forma de micro-laminas. De acuerdo a los estudios hechos mediante TEM, el tamaño promedio de las partículas del NiSb2O6 a 800 °C se estimó en ~77.03. Mientras que para el BaSb2O6 también calcinado a 800 °C, el tamaño de las nanolaminas se calculó con un promedio de ~79.22 nm (longitud), respectivamente. Con el uso de la espectroscopía de ultravioleta visible (UV-vis) y fotoacustica (PA), se determinó el valor de la banda prohibida del óxido NiSb2O6 y BaSb2O6, encontrando su valor en ~3.0 y ~3.2 eV. Para realizar las pruebas estáticas de detección en atmósferas de CO (1, 5, 50, 100, 200 y 300 ppm) y de C3H8 (1, 5, 50, 100, 200, 300, 400 y 500 ppm) a 100, 200 y 300 °C, se fabricaron pastillas con los polvos obtenidos de NiSb2O6 y BaSb2O6 calcinados a 800 °C. La respuesta (magnitud de sensibilidad) máxima de las pastillas del NiSb2O6 en CO fue de ~5.133 a 300 °C. El cambio de la respuesta en atmósferas de C3H8 (500 ppm) fue calculado en ~10.263 a 300 °C. La respuesta máxima de las pastillas del BaSb2O6 en CO (300 ppm) fue de ~8.604 a 300 °C y de ~1.222 en atmósferas de C3H8 (500 ppm) a 300 °C. Para los experimentos en vapores dinámicos de metanol, etanol e isopropanol, el NiSb2O6 exhibió una excelente repuesta eléctrica al ser sometido a temperatura de operación a 280 y 300 °C. Bajo esas condiciones, el material experimentó un cambio en el valor de la resistencia eléctrica y de la sensibilidad en cada atmósfera de vapor dinámico, mostrando una buena estabilidad térmica, reproducibilidad y selectividad por parte del sensor. De acuerdo a los resultados obtenidos en esta tesis de investigación, los óxidos NiSb2O6 y BaSb2O6 son fuertes candidatos para ser aplicados como potenciales sensores de gases de CO, C3H8, vapores dinámicos de alcohol de metanol, etanol e isopropanol. | |
| dc.description.tableofcontents | Agradecimientos ...................................................................................................................... i Dedicatoria.............................................................................................................................. ii Índice ..................................................................................................................................... iii Índice de figuras .................................................................................................................... vi Índice de tablas ....................................................................................................................... x Resumen ................................................................................................................................ xi Abstract ................................................................................................................................. xii Capítulo 1: Introducción ......................................................................................................... 1 1.1. Justificación ..................................................................................................................... 3 1.2. Hipótesis .......................................................................................................................... 4 1.3. Objetivo general .............................................................................................................. 4 1.4. Objetivos específicos ....................................................................................................... 4 Capítulo 2: Antecedentes ........................................................................................................ 6 2.1. Nanomateriales ................................................................................................................ 6 2.2. Proceso de preparación de nanomateriales ...................................................................... 8 2.3. Nanomateriales de antimoniatos tipo trirutilo ............................................................... 10 2.4. Difracción de rayos X para polvos ................................................................................ 12 2.5. Espectroscopía UV-Vis ................................................................................................. 13 2.6. Espectroscopía fotoacústica ........................................................................................... 16 2.7. Microscopía electrónica de barrido ............................................................................... 18 2.8. Microscopía electrónica de transmisión ........................................................................ 20 Capítulo 3: Principios de los sensores de gases .................................................................... 23 3.1. Fundamentos de los sensores de gases .......................................................................... 23 3.2. Mecanismos de reacción de gases sobre superficies semiconductoras ......................... 25 3.2.1. Adsorción / desorción física ....................................................................................... 26 3.2.2. Mecanismo de control de difusión de gas .................................................................. 27 3.2.3. Vacancias de oxígeno ................................................................................................. 28 3.3. Sensores resistivos a base de óxidos de semiconductores ............................................. 30 iv 3.4. Nanomateriales aplicados a los sensores de gases......................................................... 33 3.5. Nanomateriales de antimoniato tipo trirutilo aplicados a sensores de gases ................. 34 3.6. Principio de la respuesta eléctrica de óxidos semiconductores tipo n y tipo p .............. 35 3.7. Desarrollo y tecnología de sensores de gases ................................................................ 38 Capítulo 4: Métodos experimentales .................................................................................... 42 4.1. Síntesis de las nanopartículas del óxido NiSb2O6 y BaSb2O6 ....................................... 42 4.2. Preparación de los polvos del óxido NiSb2O6 y BaSb2O6 para el análisis por difracción de rayos X ............................................................................................................................. 44 4.3. Preparación de los polvos del óxido NiSb2O6 y BaSb2O6 por microscopía electrónica de barrido (SEM) ....................................................................................................................... 44 4.4. Preparación de los polvos del óxido NiSb2O6 y BaSb2O6 por microscopía electrónica de transmisión (TEM) ............................................................................................................... 45 4.5. Caracterización por espectroscopia ultravioleta –visible (UV-Vis) .............................. 46 4.6. Caracterización mediante espectroscopía fotoacústica (PAS)....................................... 47 4.7. Proceso experimental de las pruebas eléctricas en atmósferas estáticas de CO y propano .............................................................................................................................................. 48 4.8. Proceso experimental de las pruebas eléctricas en vapores dinámicos de solventes..... 50 Capítulo 5: Resultados y discusión del óxido NiSb2O6 ........................................................ 53 5.1. Resumen ........................................................................................................................ 53 5.2. Análisis de los resultados de la estructura cristalina del óxido NiSb2O6 por difracción de rayos-X en polvo .................................................................................................................. 53 5.3. Análisis de los resultados microestructurales del óxido NiSb2O6 por microscopía electrónica de barrido (SEM) ............................................................................................... 57 5.4. Análisis de los resultados del óxido NiSb2O6 por microscopía electrónica de transmisión (TEM) ................................................................................................................................... 59 5.5. Análisis de los resultados de espectroscopía ultravioleta –visible (UV-Vis) ................ 61 5.6. Pruebas estáticas de detección en atmósferas de CO y C3H8 ........................................ 62 5.7. Pruebas dinámicas de detección en atmósferas gaseosas de metanol, etanol e isopropanol .............................................................................................................................................. 69 Capítulo 6: Resultados y discusión del óxido BaSb2O6 ....................................................... 74 6.1. Resumen ........................................................................................................................ 74 v 6.2. Análisis de los resultados de la estructura cristalina del óxido BaSb2O6 por difracción de rayos-X en polvo .................................................................................................................. 74 6.3. Análisis de los resultados microestructurales del óxido BaSb2O6 por microscopía electrónica de barrido (SEM) ............................................................................................... 78 6.4. Análisis de los resultados del óxido BaSb2O6 por microscopía electrónica de transmisión (TEM) ................................................................................................................................... 80 6.5. Análisis de los resultados de espectroscopía fotoacústica (PAS) del óxido BaSb2O6.. 81 6.6. Pruebas estáticas de detección en atmósferas de CO y C3H8 ........................................ 82 6.7. Pruebas dinámicas de detección en atmósferas gaseosas de metanol, etanol e isopropanol .............................................................................................................................................. 88 Capítulo 7: Discusión de resultados ..................................................................................... 91 7.1. Resumen ........................................................................................................................ 91 7.2. Análisis de la estructura cristalina de NiSb2O6 y BaSb2O6 por difracción de rayos-X en polvo ..................................................................................................................................... 91 7.3. Análisis de la morfología de NiSb2O6 y BaSb2O6 por microscopía electrónica de barrido (SEM) ................................................................................................................................... 93 7.4. Análisis de la microestructura de NiSb2O6 y BaSb2O6 por microscopía electrónica de barrido (TEM) ...................................................................................................................... 95 7.5. Análisis de NiSb2O6 y BaSb2O6 por espectroscopía ultravioleta visible (UV-Vis) y espectroscopía fotoacústica (PAS) ....................................................................................... 96 7.6. Análisis de las pruebas estáticas de detección en atmósferas de CO y C3H8 en NiSb2O6 y BaSb2O6 ................................................................................................................................ 98 7.7. Análisis de la respuesta dinámicas en vapores de metanol, etanol e isopropanol ......... 99 Capítulo 8: Conclusiones .................................................................................................... 102 Trabajo a futuro .................................................................................................................. 103 Anexo ................................................................................................................................. 104 Referencias bibliográficas .................................................................................................. 106 vi Índice de figuras Figura 2.1. Esquema general de la nanotecnología y sus aplicaciones [24]. .......................... 7 Figura 2.2. Mecanismos físicos y químicos más utilizados en la síntesis de nanomateriales [2]. .......................................................................................................................................... 8 Figura 2.3. Representación de los materiales que poseen una estructura tipo trirutilo [14,17]. .............................................................................................................................................. 10 Figura 2.4. Esquema del análisis estructural mediante difracción de rayos X [44]. ............ 12 Figura 2.5. Esquema que representa el fenómeno de difracción en un sólido cristalino [46]. .............................................................................................................................................. 13 Figura 2.6. Niveles energéticos en un semiconductor y su banda prohibida [49]. ............... 14 Figura 2.7. Esquema general del fenómeno de reflectancia difusa [49]............................... 15 Figura 2.8. Partes principales de una esfera de integración [49]. ......................................... 16 Figura 2.9. Componentes de un espectrofotómetro acústico [52]. ....................................... 18 Figura 2.10. Componentes básicos de un microscopio electrónico de barrido (SEM) [58]. 19 Figura 2.11. Componentes básicos de un microscopio electrónico de transmisión [64]...... 21 Figura 3.1. Esquema general de los componentes básicos de un sensor de gases [4]. ......... 23 Figura 3.2. Estructura característica de un sensor de gases catalítico [67]. ......................... 24 Figura 3.3. Distintos principios en el mecanismo de sensado [68]. ..................................... 26 Figura 3.4. Esquema general de los procesos químicos-físicos que se llevan a cabo en la interfase sólido-gas, a diferentes temperaturas de operación [68]........................................ 29 Figura 3.5. Primer sensor comercial de SnO2 fabricado en 1971 [77]. ................................ 30 Figura 3.6. Ilustración esquemática del cambio de la resistencia del sensor en presencia de un gas reductor (a) tipo n y (b) tipo p [91]. .......................................................................... 36 Figura 3.7. Diferentes estructuras de los dispositivos de sensores resistivos. (a) bloque sinterizado, (b) Película delgada, (c) cápsula de sensado, (d) cápsula de sensado con una sola bobina, (e) película gruesa y (f) sensor con tapa de metal y filtro [93]. ............................... 39 Figura 3.8. Sensores tradicionales en forma de a) pellet, b) película gruesa y c) película delgada [71,101]. .................................................................................................................. 40 Figura 3.9. Gráfico de una prueba experimental para la determinación del tiempo de respuesta y de recuperación en un detector de gases [40,91,93]. ......................................................... 41 vii Figura 4.1. Esquema que muestra los pasos seguidos del método de síntesis empleado para obtener los polvos de NiSb2O6 y BaSb2O6. .......................................................................... 43 Figura 4.2. Preparación de los polvos de NiSb2O6 y BaSb2O6 a 800 °C para el análisis por difracción de rayos X en polvo. ............................................................................................ 44 Figura 4.3. Diagrama del proceso de preparación por SEM para el análisis de la microestructura de NiSb2O6 y BaSb2O6 a 800 °C. ............................................................... 45 Figura 4.4. Pasos empleados para estudiar el tamaño de partícula de los óxidos BaSb2O6 y NiSb2O6 calcinados a 800 °C por TEM. ............................................................................... 46 Figura 4.5. Esquema ilustrativo del proceso del análisis por UV-Vis de las propiedades ópticas de los polvos calcinados a 800 °C de los óxidos NiSb2O6 y BaSb2O6. .................... 47 Figura 4.7. Esquema del sistema de detección de gases usado en las pruebas de atmósferas estáticas de CO y C3H8 a diferentes temperaturas de operación. ......................................... 50 Figura 4.8. Preparación de las películas gruesas de NiSb2O6 y BaSb2O6 para realizar los experimentos en vapores dinámicos de solventes. ............................................................... 51 Figura 4.9. Arreglo experimental del sistema usado para las mediciones eléctricas NiSb2O6 y BaSb2O6 (respuesta dinámica) en vapores de metanol, etanol e isopropanol a 280 y 300 °C. .............................................................................................................................................. 52 Figura 5.1. Patrones de difracción de rayos X del NiSb2O6 calcinado a 700, 800 y 900 °C en aire. ....................................................................................................................................... 54 Figura 5.2. Representación ilustrativa de: (a) la estructura cristalina de NiSb2O6, (b) proyección del hueco octaédrico y (c) ordenamiento atómico. ............................................ 56 Figura 5.3. Imágenes de SEM de los polvos del NiSb2O6 calcinados a 800 °C, observadas a magnificaciones de (a) 6.0 kx, (b)10.0 kx, (c) 15.0 kx, (d) 60.0 kx, (e) 70.0 kx y (f) 70.0 kx. .............................................................................................................................................. 58 Figura 5.4. Análisis estadístico del tamaño de: (a) tamaño de las barras y (b) tamaño de las partículas. .............................................................................................................................. 59 Figura 5.5. Imágenes TEM del NiSb2O6 calcinado a 800 °C. .............................................. 60 Figura 5.6. Distribución del tamaño de partículas del óxido NiSb2O6 calcinado a 800 °C. . 60 Figura 5.7. Determinación de la banda prohibida del NiSb2O6 calcinado a 800 °C por espectroscopía UV-Vis. ........................................................................................................ 62 viii Figura 5.8. Valores de la magnitud de sensibilidad de las pastillas del del antimoniato de níquel (NiSb2O6) en función (a) de la concentración del CO y (b) de la temperatura de operación. ............................................................................................................................. 63 Figura 5.9. Cambios de sensibilidad de las pastillas del NiSb2O6 como una función de (a) la concentración del C3H8 y (b) de la temperatura de operación. ............................................. 65 Figura 5.10. Cambios de resistividad eléctrica obtenidas a 300 °C en función de: (a y b) concentración de CO y la temperatura, (c y d) de la concentración de C3H8 y de la temperatura de operación………………………………………………………………………………...66 Figura 5.11. Análisis comparativo entre resistividad eléctrica y magnitud de sensibilidad obtenidas a temperatura de 300 °C como una función (a) concentración de CO y (b) concentración de C3H8. ......................................................................................................... 67 Figura 5.12. Valores de la magnitud de sensibilidad de las pastillas del antimoniato de níquel (NiSb2O6) obtenidos en atmósferas de CO y C3H8 a 300 °C. .............................................. 68 Figura 5.13. Cambios de la resistencia eléctrica y de la sensibilidad del NiSb2O6 en presencia de10 ppm de vapor de metanol, etanol e isopropanol a 280 °C (a,b) y 300 °C (c,d). ......... 69 Figura 6.1. Difractogramas de difracción de rayos X del antimoniato de bario (BaSb2O6) calcinados a 600, 700 y 800 ° C en aire. .............................................................................. 75 Figura 6.2. Representación ilustrativa de la estructura cristalina de BaSb2O6. .................... 77 Figura 6.3. Imágenes de SEM de los polvos del antimoniato de bario (BaSb2O6) calcinado a 800 °C, obtenidas a magnificaciones de (a) 3.93 kx, (b) 2.52 kx, (c) 5.59 kx, (d) 7.13 kx, (e) 13.5 kx y (f) 20.0. ................................................................................................................. 78 Figura 6.4. Distribución del tamaño de las microláminas de BaSb2O6 calcinados a 800 °C. .............................................................................................................................................. 79 Figura 6.5. Imágenes de TEM de la microestructura de los polvos del del antimoniato de bario (BaSb2O6) calcinado a 800 °C (a‒f). ........................................................................... 80 Figura 6.6. Distribución del tamaño de las partículas del BaSb2O6 calcinado a 800 °C. ..... 81 Figura 6.7. Análisis de los polvos del BaSb2O6 (a 800 °C) por espectroscopía fotoacústica: (a) Bandas características del material y (b) determinación del valor de la banda prohibida. .............................................................................................................................................. 82 ix Figura 6.8. Valores de la magnitud de sensibilidad de las pastillas del antimoniato de bario (BaSb2O6) en función (a) de la concentración del CO y (b) de la temperatura de operación. .............................................................................................................................................. 83 Figura 6.9. Sensibilidad de las pastillas del BaSb2O6 como una función de (a) la concentración del C3H8 y (b) de la temperatura de operación. ............................................. 85 Figura 6.10. Respuesta eléctrica (cambios de resistividad) obtenidas a 300 °C como una función (a) concentración de CO, (b) concentración de C3H8, (c) temperatura de operación en CO y (d) temperatura de operación en C3H8…………………………………………….86 Figura 6.11. Análisis comparativo entre resistividad eléctrica y magnitud de sensibilidad obtenidas a temperatura de 300 °C como una función de la (a) concentración de CO y (b) concentración de C3H8. ......................................................................................................... 87 Figura 6.12. Valores de la magnitud de sensibilidad (selectividad de gases) de las pastillas del antimoniato de bario (BaSb2O6) obtenidos en atmósferas de CO y C3H8 a 300 °C. ...... 88 Figura 6.13. Respuesta eléctrica de las películas gruesas de BaSb2O6: (a) 280 y (b) 300 °C en presencia de evapores de metanol, etanol e isopropanol. ..................................................... 89 Figura 7.1. Análisis comparativo de la fase cristalina de (a) NiSb2O6 y (b) BaSb2O6 calcinados a 800 °C. ............................................................................................................. 92 Figura 7.2. Imágenes de SEM de los polvos del NiSb2O6 (a‒c) y BaSb2O6 (d‒f) calcinados a 800 °C. .................................................................................................................................. 94 Figura 7.3. Diagrama esquemático de la interacción entre la etilendiamina con los óxidos NiSb2O6 y BaSb2O6. ............................................................................................................. 95 Figura 7.4. Imágenes TEM y distribución del tamaño de las partículas de NiSb2O6 (a‒b) y BaSb2O6 (d‒g) calcinado a 800 °C. ...................................................................................... 96 Figura 7.6. Valores de la magnitud de sensibilidad de las pastillas NiSb2O6 y BaSb2O6 obtenidos en atmósferas de CO y C3H8 a 300 °C. ................................................................ 98 Figura 7.7. Cambio de la resistencia eléctrica del óxido NiSb2O6 y BaSb2O6 en presencia de metanol, etanol e isopropanol, a 280 y 300 °C. .................................................................. 100 x Índice de tablas Tabla 3.1. Materiales aplicados en sensores de gases y su fundamento [65]. ...................... 24 Tabla 3.2. Comportamiento de un semiconductor tipo p y tipo n [91]. ............................... 38 Tabla 4.1. Datos de los reactivos utilizados en la síntesis de NiSb2O6. ............................... 42 Tabla 4.2. Datos de los reactivos utilizados en la síntesis de BaSb2O6. ............................... 42 Tabla 5.1. Tamaño de cristalito del óxido NiSb2O6 a 600, 700 y 800 °C. ........................... 55 Tabla 5.2. Posiciones atómicas en la estructura cristalina de NiSb2O6. ............................... 56 Tabla 5.3. Parámetros de sensado del óxido NiSb2O6 a 280 y 300 °C. ................................ 71 Tabla 5.4. Comparación de distintos óxidos metálicos ternarios en la detección de distintos vapores de alcohol. ............................................................................................................... 73 Tabla 6.1. Estimación del tamaño de cristalito del material BaSb2O6 calcinado a 600, 700 y 800 °C. .................................................................................................................................. 76 Tabla 6.2. Posiciones atómicas en la estructura cristalina de BaSb2O6. ............................... 77 Tabla 7.1. Métodos de síntesis publicados en la literatura. .................................................. 93 Tabla 7.2. Comparación de la sensibilidad máxima de óxidos semiconductores................. 99 | |
| dc.format | application/PDF | |
| dc.language.iso | spa | |
| dc.publisher | Biblioteca Digital wdg.biblio | |
| dc.publisher | Universidad de Guadalajara | |
| dc.rights.uri | https://www.riudg.udg.mx/info/politicas.jsp | |
| dc.subject | Semiconductores | |
| dc.subject | Sensores De Gases | |
| dc.subject | Triturilo | |
| dc.subject | Nanoestructuras | |
| dc.title | Estudio de Materiales con Estructura tipo Trirutilo y su Aplicación como Detectores de Gases | |
| dc.type | Tesis de Doctorado | |
| dc.rights.holder | Universidad de Guadalajara | |
| dc.rights.holder | Ramírez Ortega, Jorge Alberto | |
| dc.coverage | GUADALAJARA, JALISCO | |
| dc.type.conacyt | doctoralThesis | |
| dc.degree.name | DOCTORADO EN CIENCIA DE MATERIALES | |
| dc.degree.department | CUCEI | |
| dc.degree.grantor | Universidad de Guadalajara | |
| dc.rights.access | openAccess | |
| dc.degree.creator | DOCTOR EN CIENCIA DE MATERIALES | |
| dc.contributor.director | Guillén Bonilla, Héctor | |
| dc.contributor.codirector | Guillén Bonilla, Alex | |
| Aparece en las colecciones: | CUCEI | |
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|---|---|---|---|
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