Síntesis y caracterización de nanoestructuras de Co3O4 dopadas con Ni para aplicación en detección de gases

Abstract

En la presente investigación se realizó la síntesis del Co3O4, Co3-xNixO4 x = 1 a 16% y Co3-xNixO4 + rGO x = 0 y 4% por las técnicas sol-gel e hidrotermal analizando la influencia de la temperatura de 400 °C a 1000 °C, así como el efecto de la concentración de níquel sobre la morfología y composición química del compuesto. A su vez, se fabricaron electrodos nanoestructurados de óxido de cobalto y óxido de cobalto con níquel por el método anodización electroquímica. Las muestras que presentaron mayor área superficial específica se seleccionaron como sensores de acetona y etanol, eficiencia bactericida de E. Coli / S. Aureus, y absorción fotocatalítica de azul de metileno. La caracterización estructural y morfología de las muestras se realizó por medio de las técnicas de difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de transmisión respectivamente. Las propiedades ópticas fueron determinadas por medio de la técnica de espectroscopía Raman, espectrofotometría ultravioleta - visible (UV-Vis) y espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR). Medidas de magnetización se llevaron a cabo en función al campo magnético. La resistividad eléctrica del material se evalúo empleando el método de cuatro puntas. Se identificaron cambios en las características térmicas de las muestras por medio de calorimetría diferencial de barrido. La composición superficial de algunas muestras se determinó mediante de espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS). A través de sortometría se evalúo el área superficial específica de las muestras con el fin de determinar las mejores condiciones de síntesis para las aplicaciones señaladas. Los resultados de DRX obtenidos indican la formación de la fase pura espinela Co3O4 con transición de fase a 917 °C a CoO, óxidos de Co3-xNixO4 con estructura espinela se obtuvieron por las dos técnicas de síntesis calcinados hasta 600 °C, a 800 °C se evidenció la aparición de una fase secundaria de NiO. La sustitución generó un corrimiento en los picos DRX hacia mayores ángulos y un desplazamiento en las bandas Raman donde los picos disminuyen la intensidad y aumentan su ensanchamiento con el aumento de la concentración de Ni generado por la diferencia de radios iónicos. Los óxidos sintetizados mostraron cambios en los modos vibratorios Raman relacionados con defectos y distorsiones en la red cristalina del material resultado del aumento de temperatura y adición de níquel. A 1000 °C se evidencia la formación de heteroestructuras compuestas por Co3O4, NiCo2O4 y CoO posiblemente resultado de la sustitución y temperatura. Análisis de sortometría indican que las muestras con mayor área superficial son Co3-xNixO4 x = 4% y Co3-xNixO4 x = 4% + rGO obtenidas por ambas técnicas. Se prepararon sensores por dos métodos a partir de estas muestras y fueron expuestos a vapor de metanol, etanol y acetona donde se evidenció una respuesta a la exposición a estos vapores por el cambio en su resistividad. Análisis bactericidas señalan que la muestra Co3-xNixO4 x = 4% + rGO tuvo la mejor respuesta frente a S. Aureus y E.Coli; este comportamiento se mejoró principalmente por la incorporación del rGO, un tamaño de partícula menor y la mayor área superficial. Esta muestra también mostró el mejor comportamiento en la aplicación para la absorción de azul de metileno. Los electrodos obtenidos por anodización depositados en láminas de cobalto presentan morfologías en forma de microcubos cavidades microtriangulares y aglomerados, la mayoría con longitudes desde ±0.19 µm hasta ±3.24 µm en función a la solución química empleada (Texto tomado de la fuente)

In the present investigation, the synthesis of Co3O4, Co3-xNixO4 x = 1 to 16% and Co3-xNixO4 + rGO x = 0 and 4% was carried out by sol-gel and hydrothermal techniques, analyzing the influence of temperature from 400 °C to 1000 °C, as well as the effect of nickel concentration on the morphology and chemical composition of the compound. At the same time, nanostructured electrodes of cobalt oxide and cobalt oxide with nickel were manufactured by the electrochemical anodization method. The samples that presented the highest specific surface area were selected as sensors for acetone and ethanol, bactericidal efficiency of E. Coli / S. Aureus, and photocatalytic degradation of methylene blue. The microstructural and morphological characterization of the samples was carried out using X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy techniques, respectively. The optical properties were determined using the Raman spectroscopy technique, ultraviolet-visible spectrophotometry (UV-Vis) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Magnetization measurements were carried out as a function of the magnetic field. The electrical resistivity of the material was evaluated using the four-point method. Changes in the thermal characteristics of the samples were identified by means of differential scanning calorimetry. The surface composition of some samples was determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Through sortometry, the specific surface area of the samples was evaluated in order to determine the best synthesis conditions for the indicated applications. The obtained XRD results indicate the formation of the pure Co3O4 spinel phase with phase transition at 917 °C to CoO, Co3-xNixO4 oxides with spinel structure were obtained by the two synthesis techniques calcined up to 600 °C, at 800 °C the appearance of a secondary phase of NiO was evidenced. The substitution generated a shift in the XRD peaks towards greater angles and a shift in the Raman bands where the peaks decrease in intensity and increase in broadening with the increase in Ni concentration generated by the difference in ionic radius. The synthesized oxides showed changes in the Raman vibrational modes related to defects and distortions in the crystal lattice of the material as a result of the increase in temperature and the addition of nickel. At 1000°C, the formation of heterostructures composed of Co3O4, NiCo2O4 and CoO, possibly the result of substitution and temperature, is evident. Sortometry analysis indicates that the samples with the highest surface area are Co3-xNixO4 x = 4% and Co3-xNixO4 x = 4% + rGO obtained, which were by both techniques.

Sensors were prepared by two methods from these samples and were exposed to methanol, ethanol and acetone vapor where a response to exposure to these vapors was evidenced by the change in their resistivity. Bactericidal analyzes indicate that the Co3-xNixO4 x = 4% + rGO sample had the best response against S. Aureus and E.Coli; this behavior was improved mainly by the incorporation of rGO, a smaller particle size and a larger surface area. This sample also showed the best behavior in the application for the photodegradation of methylene blue. The electrodes obtained by anodization deposited on cobalt sheets present morphologies in the form of microtubes, microcubes and agglomerates, most with lengths from ±0.19 µm to ±3.24 µm depending on the chemical solution used.