Electrodeposició de nanoestructures amb propietats magnètiques o catalítiques: síntesi, caracterització i propietats

• Autores: Joan Vilana Balastegui
• Directores de la Tesis: Elisa Vallés Giménez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2016
• Idioma: catalán
• Tribunal Calificador de la Tesis: Nieves Casañ-Pastor (presid.), Ignacio Sirés Sadornil (secret.), Jaume Esteve Tintó (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona
• Materias:
  • Física
    • Química física
      • Catálisis
      • Emulsiones
    • Física del estado sólido
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Dipòsit Digital de la UB
• Resumen

  • El trabajo desarrollado durante la Tesis Doctoral se ha centrado en comprobar la capacidad de la tecnología electroquímica para la preparación de micro y nanoestructuras magnéticas con aplicabilidad en diferentes ámbitos. Como material a sintetizar se ha escogido la aleación cobalto-níquel (CoNi), debido a su carácter de material ferromagnético, modulable en función de la composición de la aleación. Además, la proximidad entre los potenciales de electrodeposición de los dos metales que componen la aleación facilita la formación de la aleación mediante técnicas electroquímicas. Las estructuras sintetizadas (láminas de grosor micrométrico, nanohilos y nanopartículas de CoNi), en ocasiones modificadas posteriormente a su síntesis, se han analizado y propuesto como catalizadores en procesos de electro-oxidación, como sensores de determinadas moléculas o como nanomateriales de propiedades magnéticas potenciadas. Los resultados y conclusiones obtenidos en la Tesis se han publicitado en forma de cinco artículos científicos en revistas de ámbito internacional.

    El estudio se inició definiendo las condiciones electroquímicas (disolución electrolítica, potencial a aplicar, condiciones hidrodinámicas, temperatura, velocidad de crecimiento del depósito) más adecuadas para conseguir sintetizar láminas de CoNi uniformes y de composición variable en función del potencial aplicado. La aplicación de potenciales diferentes, aunque utilizando una única disolución, ha permitido controlar la velocidad de formación de los depósitos, lo cual se ha traducido en la formación de láminas de aleación de diferente morfología, estructura cristalina y comportamiento magnético. Cuando se induce una velocidad de crecimiento baja, se obtienen depósitos de morfología acicular y rugosidad elevada, con un porcentaje de cobalto alrededor del 75 % en peso, fase cristalina hexagonal compacta (hcp) y comportamiento magnético “semi-duro”. Por el contrario, la aplicación de potenciales que favorecen una velocidad de crecimiento de los depósitos más elevada, implica la formación de depósitos de grano muy fino, baja rugosidad, menor porcentaje de cobalto (alrededor del 50 %), fase cristalina cúbica centrada en las caras (fcc) y comportamiento magnético “blando”. Las condiciones seleccionadas para formar los depósitos han servido de base para la síntesis electroquímica de nanohilos de CoNi utilizando como soporte membranas porosas de policarbonato o alúmina, dopadas con una capa nanométrica de oro por una de sus caras. En estas condiciones se han obtenido nanohilos de CoNi de diferente composición, diámetro y longitud y, por tanto, diferente comportamiento magnético. También se han podido sintetizar nanopartículas de CoNi soportadas sobre una red tridimensional de nanotubos de carbono verticalmente alineados. Así se han podido fabricar estructuras con una extraordinaria respuesta magnética, potenciada por la medida de las nanopartículas y por la interacción entre ellas.

    El conocimiento de las condiciones de formación electroquímica de los nanohilos de CoNi, optimizadas para controlar su estructura cristalina y mantenerla a lo largo de todo el nanohilo (varias micras de longitud), ha permitido obtener dos tipos de nanohilos de CoNi con composición y fase cristalina diferente. Estos nanohilos se han propuesto como catalizadores para la electro-oxidación de metanol, reacción anódica en pilas de combustible de metanol directo (DMFC). La elevada relación área/volumen de los nanohilos y la naturaleza química de los mismos los hace prometedores catalizadores para la electro-oxidación de metanol en medio alcalino, especialmente aquellos que presentan una fase cristalina hexagonal. Por tanto, las nanoestructuras de CoNi electro-obtenidas en forma de nanohilos de CoNi, pueden ser una buena alternativa a las nanopartículas de metales nobles en pilas de combustible en medio alcalino. Además, el carácter magnético de los nanohilos facilita tanto su manipulación como la recuperación del catalizador.

    También se ha demostrado que tanto las láminas delgadas como los nanohilos de CoNi, tratados electroquímicamente en medio alcalino para formar especies superficiales oxidadas mixtas, se pueden utilizar como electrodos catalíticos para la electro-oxidación de glucosa y urea. En el caso de la glucosa, las estructuras obtenidas (CoNi/óxidos de CoNi) son útiles como electrodos en sensores amperométricos, permitiendo tanto la detección como la cuantificación de analitos conteniendo glucosa. Por otro lado, los electrodos preparados a partir de depósitos de CoNi de estructura hexagonal presentan unas buenas prestaciones como ánodos para la electro-oxidación de urea en medio alcalino, siendo la actividad catalítica dependiente de las especies oxidadas obtenidas a partir de cada tipo de depósito. Los electrodos de CoNi/óxidos electroquímicamente preparados resultan pues prometedores como ánodos para la electrolisis de urea cuando interesa producción de hidrógeno. Asimismo, para la eliminación de urea en tratamientos de aguas, considerando en este caso la urea como contaminante de las mismas.