ES2472368A1

ES2472368A1 - Material compuesto que comprende una matriz porosa de carbón amorfo y nanopart�culas de bi obtenible mediante un procedimiento sol-gel, procedimiento de obtención y su uso

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Publication number: ES2472368A1
Application number: ES201231869A
Authority: ES
Inventors: Cesar Fernandez Sanchez; Marti GICH GARCIA; Anna Roig Serra; Liviu Cosmin COTET
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-30
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: WO2014083222A1; ES2472368B1

Abstract

Material compuesto que comprende una matriz porosa de carbón amorfo y nanopartículas de Bi obtenible mediante un procedimiento sol-gel, procedimiento de obtención y su uso. La presente invención se refiere a un material compuesto que comprende una matriz porosa de carbono amorfo con un tamaño de poro comprendido entre 2 y 1000 nm, en la que se encuentran embebidas y distribuidas homogéneamente nanopartículas esféricas de tamaño comprendido entre 5 y 500 nm de al menos un elemento metálico que es Bi en fase cristalina tetragonal, obtenible mediante un procedimiento que comprende al menos las siguientes etapas: a) preparar una composición líquida sol-gel en forma de solución que contiene al menos un precursor orgánico de la matriz en un solvente; b) depositar la solución líquida dentro de un molde o sobre un soporte en forma de capa o microestructura; c) condensar la solución líquida que contiene el precursor orgánico en el molde o en el soporte, hasta dar lugar a un gel orgánico húmedo; d) secar el gel húmedo; y e) someter el gel a pirólisis, en atmósfera inerte a una temperatura igual o superior a 800°C; donde al menos un precursor del Bi se adiciona en la primera etapa a) disolviéndose en el solvente junto al precursor orgánico para formar parte de la composición sol-gel, o se adiciona en la tercera etapa c) impregnando el gel orgánico húmedo con una solución del precursor de Bi en un solvente antes del secado; y donde el material presenta un área superficial de Bi comprendida entre 2.5-102 cm2/g y 2.5-105 cm2/g, la matriz presenta una porosidad intrínseca accesible comprendida entre 10% y 95% respecto al carbono amorfo no poroso.

Description

Material compuesto que comprende una matriz porosa de carbón amorfo y nanopart�culas de bi obtenible mediante un procedimiento sol-gel, procedimiento de obtención y su uso

Campo de la invención

La invención se encuadra en el área de la tecnología de ciencia de materiales y su sector de aplicación son los dispositivos para la detección electroqu�mica de contaminación por metales pesados en soluciones acuosas. Concretamente, se refiere a un procedimiento de preparación de carbón poroso nanoestructurado con nanopart�culas met�licas y a su aplicación en el campo de los sensores electroqu�micos.

Estado de la técnica

En el área de los dispositivos para detección electroqu�mica de contaminación como son metales pesados, la innovación se dirige principalmente al desarrollo de sistemas portátiles cada vez más sensibles, con menores límites de detección y para una gama más amplia de analitos. También se intenta desarrollar sistemas que permitan hacer medidas en tiempo real sobre el terreno por parte de personal no especializado. Los sensores de tipo electroqu�mico est�n entre los mejor posicionados para responder a estas necesidades, debido a que son dispositivos baratos, de respuesta rápida, sensibles, de bajo consumo, que requieren de una instrumentaci�n sencilla y de bajo coste. Sin embargo para responder a las demandas del mercado, es necesario que se produzcan avances que permitan mejorar sus prestaciones en términos de fiabilidad, costes (para poder fabricarlos de usar y tirar), y empleo de materiales no contaminantes, para aplicaciones particulares. Estos avances son especialmente demandados en el campo del control medioambiental y de alimentos y, particularmente, en el desarrollo de dispositivos para la medida de metales pesados, a causa del aumento de las concentraciones de metales pesados en el medio natural provocado por actividades antropog�nicas. Actualmente los metales pesados en aguas se analizan en laboratorios centralizados por técnicas de absorción atómica. Una alternativa establecida a nivel de laboratorio es la técnica llamada voltamperometr�a de redisoluci�n an�dica (ASV, del inglés Anodic Stripping Voltammetry). Es una técnica electroqu�mica que se basa en la amalgama de los analitos con otro metal presente en el electrodo de trabajo. El metal que se ha venido utilizando en ASV es el Hg pero la legislación es cada día más estricta en su utilización en todos los ámbitos debido a su elevada toxicidad. La posibilidad de substituir en este tipo de aplicación el Hg por Bi, que no presenta problemas para el medio ambiente, ha sido ampliamente estudiada en la última década (�vancara, I.; Prior, C.; Hočevar, S. B.; Wang, J., A Decade with Bismuth-Based Electrodes in Electroanalysis. Electroanalysis 2010, 22 (13), 1405-1420). Actualmente, los expertos del área de los electrodos de Bi consideran que las mayores perspectivas de desarrollo e innovación se centran en la miniaturización de los dispositivos y los nuevos tipos de ensamblajes de Bi para los mismos. Se requiere avanzar en la fabricación de electrodos de Bi, los cuales est�n basados actualmente en la electrodeposici�n de capas de Bi sobre diferentes materiales de carbono o electrodos de capa gruesa que emplean pastas de Bi u otros materiales compuestos, debido a sus limitadas prestaciones o a su proceso de fabricación.

Por otra parte, en las últimas décadas se ha progresado mucho en la miniaturización de celdas electroqu�micas y actualmente se pueden utilizar electrodos con geometrías planares que permiten analizar volúmenes de muestra de unos pocos microlitros. Estas tecnologías, adaptadas de la industria microelectrónica, son eficaces y de bajo costeaunque sólo permiten la fabricación de dispositivos de metal, óxidos met�licos o silicio. ésta es una importante limitación ya que el carbono es el material mejor adaptado para fabricar electrodos para medidas electroqu�micas. Aunque se pueden fabricar electrodos planares de carbono por serigraf�a, esta técnica no permite fabricar eficazmente motivos por debajo de 50 �m. En este sentido un alternativa sería utilizar técnicas de fabricación no convencionales que sean más versátiles como por ejemplo aquellas englobadas en la llamada litografía blanda (del inglés soft lithography; Xia, Y. N.; Whitesides, G. M., Soft lithography. Annual Review of Materials Science 1998, 28, 153-184). Con estas técnicas no fotolitogr�ficas se replican estructuras mediante moldes flexibles de bajo coste que permiten estructurar líquidos y resinas. As�, por ejemplo, con estos métodos se han obtenido microelectrodos de carbono a partir de la pir�lisis de resinas polim�ricas (Kovarik, M. L.; Torrence, N. J.; Spence, D. M.; Martin, R. S., Fabrication of carbon microelectrodes with a micromolding technique and their use in microchip-based flow analyses. Analyst 2004, 129 (5), 400-405). Sin embargo, la adhesión de estas resinas a los substratos de silicio comúnmente utilizados no es óptima y los motives se despegan, hecho que hasta la fecha ha impedido el desarrollo comercial de este tipo de productos en el campo de los sensores.

Existen diferentes patentes relacionadas con los sensores electroqu�micos basados en bismuto, la mayor parte de ellas relacionadas con el desarrollo de capas de Bi sobre otros materiales conductores. En la patente US8128794 B2 de Rhee et al. se especifica que la capa de bismuto incluye partículas de Bi de entre 6 y 300 nm (US8128794 B2: Rhee, C. K.; Lee, M. K.; Uhm, Y. R.; Lee, H. M.; Park, J. J.; Lee, G.; Chae, E. J.; Chang Kyu, R.; Eun Jin, C.; Gyoung-Ja, L.; Hi Min, L.; Jin Ju, P.; Min Ku, L.; Young Rang, U.; Eom, Y.; Lee, C.; Lee, S.; Hong, S. M.; Lee, J. K.; Kim, J. M. Water pollution sensor for detecting heavy metal, has bismuth powders included bismuth layer formed on portion of exposed conductive layer formed on polymer film base material). Sin embargo, el objeto de la invención es en este caso un sensor y no un proceso como el que aquí se propone para obtener el material compuesto activo que forma parte de un sensor similar. Para la presente invención también es pertinente la solicitud de patente CN102211183 (A) que se refiere a un material de Bi nanoestructurado con tamaños de partícula de 50-100 nm (Bai, H.; Li, J.; Lu, X.; Wang, C.; Xi, G.;

Yan, Y.; Yang, H. Nanostructured bismuth material for bismuth-modified electrode, comprises hexagonal crystalline phase containing spherical bismuth nanoparticles). Sin embargo se especifica que la fase de Bi que se obtiene es hexagonal, siendo la que se obtiene en esta invención tetragonal. El método de preparación es en este caso a partir de una solución se sales de Bi e hidrato de hidracina tratadas entre120 y180�C. Asimismo, es importante notar que estas nanopart�culas no son soportadas en una matriz de carbono sino que dichas nanopart�culas son utilizadas directamente para preparar el transductor

Por otra parte, la preparación de xerogeles y aerogeles de carbono es bien conocida (CN 102211183 A). La incorporación de dopantes como P, B, As, Sb en este tipo de materiales a escala molecular, es decir sin formar agregados de mayor tamaño como nanopart�culas, ha sido ya descrita en US5358802 (Meyer et al.) para su utilización en electrodos de intercalación en pilas. La incorporación de 5-10% en peso de Pt, Rh, Ir, Pd formando agregados iguales o inferiores a 1 micra en aerogeles de Carbono para la a aplicación como electrodos en dispositivos de conversión de energía también ha sido divulgada en este último documento referenciado.

Tal y como se ha expuesto, en el campo de los sensores de metales pesados por ASV basados en la utilización de electrodos de Bi existe la necesidad de poder disponer de sistemas portátiles, libres de materiales contaminantes, que permitan hacer medidas in-situ, utilizando electrodos de usar y tirar y que requieran un mínimo consumo de reactivos. Además se desea aumentar la sensibilidad y límite de detección de estos sistemas. Para ello es necesario poder:

•: Reducir el tamaño de los electrodos – miniaturización.

•: Disminuir los costes de producción de los electrodos.

•: Mejorar la sensibilidad de los electrodos.

•: Aumentar el número de analitos que se pueden analizar de forma simultánea.

La presente invención pretende dar respuesta a estas necesidades, mediante un material compuesto constituido por una matriz porosa de carbono amorfo en la que se encuentran embebidas nanopart�culas de Bi que se obtiene mediante un procedimiento sol-gel para ser utilizado en electrodos. Con el fin de facilitar la adhesión a determinados soportes sólidos, la invención se refiere también al procedimiento que hace posible que el material obtenido contenga además una segunda matriz, interpenetrada con la matriz de carbono.

Descripci�n general de la invención

Un primer objeto de la presente invención est� constituido por un material compuesto que comprende una matriz porosa de carbono amorfo con un tamaño de poro comprendido entre 2 y 1000 nm, en la que se encuentran embebidas y distribuidas homog�neamente nanopart�culas esféricas de tamaño comprendido entre 5 y 500 nm de al menos un elemento met�lico que es Bi en fase cristalina tetragonal, obtenible mediante un procedimiento que comprende al menos las siguientes etapas, esquematizadas en la Figura 1:

a) preparar una composición líquida sol-gel en forma de solución que contiene al menos un precursor orgánico de

la matriz en un solvente;

b) depositar la solución líquida dentro de un molde, o sobre un soporte en forma de capa o microestructura;

c) condensar la solución líquida que contiene el precursor orgánico en el molde o en el soporte, hasta dar lugar a

un gel orgánico húmedo;

d) secar el gel húmedo; y

e) someter el gel a pir�lisis, en atmósfera inerte a una temperatura igual o superior a 800�C; donde al menos un precursor del Bi se adiciona en la primera etapa a) disolviéndose en el solvente junto al precursor orgánico para formar parte de la composición sol-gel, o se adiciona en la tercera etapa c) impregnando el gel orgánico húmedo con una solución del precursor de Bi en un solvente antes del secado; y donde el material presenta un área superficial de Bi comprendida entre 2.5�102 cm2/g y 2.5�105 cm2/g y la matriz presenta una porosidad intrínseca accesible comprendida entre 10% y 95% respecto al carbono no poroso (medido por adsorción de nitrógeno).

Gracias al proceso descrito de obtención del material, éste presenta una distribución homogénea de las nanopart�culas en la matriz. Debe entenderse que las partículas est�n “distribuidas homog�neamente” porque no se encuentran aglomeradas en uno o varios puntos de la matriz, de tal forma que tomando cualquier parte de material la distribución de las mismas es similar, tal como se representa en la Figura 2. En el material obtenido con el proceso descrito, la presencia de nanopart�culas (en particular de Bi) distribuidas y dispersas sin formar agregados en todo el volumen de una matriz porosa de carbono amorfo hace que en comparación con los electrodos de Bi convencionales, se tenga una mayor área superficial accesible de Bi que en otras geometrías para una misma cantidad total de Bi, contribuyendo a disminuir el coste y a favorecer una mayor sensibilidad en la detección de metales pesados. Por ejemplo, comparando con las capas delgadas de Bi también utilizadas como electrodos para este tipo de sensores se puede estimar que el área superficial para 1 g de Bi en forma de capa de espesor 50 nm o bien en forma de nanopart�culas de 50 nm de diámetro es un orden de magnitud superior para estas últimas.

Otras ventajas son:

-: El material obtenido presenta una porosidad intrínseca entre un 10 y un 95 % que puede ser beneficiosa para la aplicación.

-: El material obtenido presenta una conductividad eléctrica intrínseca entre 1�10-3 S/m y 2.5�104 S/m suficiente para su utilización en análisis por diferentes técnicas voltamperom�tricas.

-: Permite obtener directamente las nanopart�culas de Bi met�lico, a diferencia de otros métodos reportados en la literatura en los que se utiliza óxido de Bi que debe ser posteriormente reducido para poder proceder a la detección de metales pesados.

La obtención del material compuesto mediante el procedimiento descrito presenta también las siguientes ventajas de la química sol-gel: es económico, de rápida realización y presenta un rendimiento elevado. Por otra parte, en la química sol-gel se parte de precursores en solución que reaccionan y forman un sólido poroso conservando la forma y el volumen que líquido adquiere en el recipiente que lo contiene. Esto conlleva otra ventaja al hacer posible la producción de electrodos directamente mediante procesos que utilizan precursores líquidos como el spin–coating, dip-coating, el spray-coating o la litografía blanda. Con estas técnicas se pueden rebajar los costes de producción gracias a un mejor aprovechamiento del material de partida y a la simplificación del proceso (menos etapas y más simples) y en algunas de ellas (spin-coating, dip-coating) se pueden depositar capas de espesor controlable o incluso microestructuras de geometrías predefinidas. As�, el uso de estas técnicas, que el objeto de la invención hace posible, presenta otras ventajas en comparación con procesos actualmente utilizados para la definición de los electrodos como la serigraf�a de pasta de carbono. Estas son la posibilidad de conseguir una mayor resolución en la definición de los electrodos o incluso permitir fabricar geometrías de electrodos hasta ahora inviables.

Otra ventaja de la obtención del material compuesto mediante el proceso definido reside en la versatilidad del método sol-gel, que admite ligeras modificaciones en la química del sistema para a) integrar otros elementos de interés (como se explicar� más adelante, por ejemplo Sb) en las nanopart�culas met�licas y formar aleaciones o estructuras más complejas, como una corteza alrededor de ellas, b) funcionalizar la matriz de carbono para poder detectar otro tipo de contaminantes, por ejemplo añadiendo en el sol inicial otros precursores adicionales, o bien modificar sus características físicas para hacer posible su adherencia a un determinado sustrato.

Un segundo objeto de la presente invención es el propio método de obtención del material compuesto antes descrito, es decir, un método sol-gel que comprende al menos las siguientes etapas y que presenta las ventajas comentadas aquí:

a) preparar una composición líquida sol-gel en forma de solución que contiene al menos un precursor

org�nico de la matriz en un solvente;

c) condensar la solución líquida que contiene el precursor orgánico en el molde o en el soporte, hasta dar

lugar a un gel orgánico húmedo;

d) secar el gel húmedo; y

e) someter el gel a pir�lisis, en atmósfera inerte a una temperatura igual o superior a 800�C, donde al menos un precursor del Bi se adiciona en la primera etapa a) disolviéndose en el solvente junto al precursor orgánico para formar parte de la composición sol-gel, o se adiciona en la tercera etapa c) impregnando el gel orgánico húmedo con una solución del precursor de Bi en un solvente antes del secado.

Un tercer objeto de la presente invención es un polvo constituido a partir del material compuesto descrito anteriormente, que (tras molienda) presenta una granulometr�a de tamaño comprendido entre 1 y 15 micras.

Asimismo, constituye otro objeto de la presente invención el uso del material compuesto descrito anteriormente para la fabricación de transductores electroqu�micos, en el caso más especial siendo el transductor electroqu�mico un electrodo.

De esta forma, la presente invención engloba asimismo el transductor electroqu�mico constituido a partir del material compuesto descrito en la presente memoria, en el cual el material compuesto constituye el elemento activo.

Descripci�n detallada de la invención

Seg�n una primera forma de realización de la invención, el precursor del Bi met�lico se introduce en la composición líquida sol-gel que se prepara en la primera etapa, quedando atrapado en la matriz orgánica que se forma durante la condensación-gelificaci�n en la tercera etapa. En esta realización, el precursor de Bi est� presente en la composición líquida sol-gel en un porcentaje comprendido entre 1% y 20% en masa total de dicha composición.

Seg�n una segunda forma de realización del proceso, el precursor de Bi se introduce en la matriz orgánica al final de la tercera etapa de condensación y antes de llevar a cabo las etapas cuarta y quinta de secado y tratamiento térmico. En este caso, se procede preferiblemente a la impregnación del gel orgánico con una solución en la que se ha disuelto al menos un precursor a base de Bi en un solvente. La concentración molar en precursor a base de Bi de dicha solución se encuentra preferiblemente entre 0.01 M y 0.4 M, y más preferiblemente entre 0.02 y 0.2 M.

El precursor de Bi met�lico es preferentemente seleccionado dentro del grupo compuesto por sales de este metal, como pueden ser nitratos, carbonatos, cloruros, acetatos, hidr�xidos y óxidos.

En un modo preferido, el precursor orgánico de la matriz de carbono es seleccionado entre derivados del benceno y aldeh�dos. Más preferentemente, el derivado del benceno es resorcinol (benceno-1,3-diol) y el aldeh�do es un formaldeh�do. En cualquier caso, con cualquier precursor orgánico de la matriz, éste constituye preferentemente entre 0.01% y 95% en masa total de la composición sol-gel, o todavía más preferiblemente entre 3% y 60 % de la masa total de la composición sol-gel.

Debe entenderse en el ámbito de la presente invención que el solvente en el que se disuelve el precursor de Bi met�lico, ya sea al añadirse en la primera etapa o en la tercera, es cualquier solvente capaz de disolver dicho precursor. Preferiblemente, el solvente de la composición líquida sol-gel (y en su caso, el solvente en el que se diluye el precursor de Bi met�lico si se añade mediante impregnación del gel) puede ser seleccionado dentro del grupo compuesto por agua, un alcohol, ácido acético y cualquier mezcla de los mismos. En una realización particular y preferida, el solvente del precursor orgánico en la primera etapa es diferente al solvente del Bi cuando éste se adiciona en la tercera etapa por impregnación.

Para promover la condensación de los precursores orgánicos y la formación posterior del gel puede ser necesaria la inclusión de catalizadores en la composición sol-gel. Estos catalizadores, que tienen por objeto aumentar el pH de la solución son preferentemente carbonato sádico e hidróxido am�nico (Na2CO3 y NH4OH).

Tambi�n en un caso preferido, se añade además a la composición líquida sol-gel al menos un agente seleccionado dentro del grupo compuesto por: un segundo agente de control de pH, un agente modificador inductor de porosidad, y un agente de control de la viscosidad de la composición sol-gel, y cualquier combinación de los mismos.

En lo que se refiere al volumen del recipiente o molde, debe indicarse que este aspecto no resulta relevante para la consecución del método y puede adquirir cualquier valor que tenga interés en el proceso de producción industrial del material, si bien es cierto que debido a la química sol-gel cualquier experto sabe que tamaños excesivos pueden hacer inviable el proceso descrito. Por esta razón, en una variante de la invención la composición sol-gel se deposita siendo líquida en un molde o recipiente que la contenga de un volumen preferiblemente inferior a 2000 ml, más preferiblemente inferior a 500 ml, y más preferiblemente todavía de entre 20 y 200 ml. El recipiente suele cerrarse herméticamente y se mantiene a un temperatura preferible de entre 20�C y 80�C, más preferiblemente todavía entre 50�C y 70�C hasta que se produce la condensación completa de los precursores orgánicos y se forma un gel.

La obtención del material nanocompuesto de carbono mediante su condensación en un molde es muy adecuada cuando se desean obtener transductores por serigraf�a o, en general, electrodos convencionales.

En una otra variante de la invención la composición sol-gel se deposita en forma de capa sobre la totalidad o una parte de un soporte o substrato mediante cualquier técnica apropiada para un depósito en fase líquida conocidas por expertos en la materia, entre los que se pueden citar de manera preferible las técnicas de spin-coating, dip-coating o spraycoating.

En este caso el depósito se debe efectuar cuando la viscosidad de la composición sol-gel es la adecuada para la técnica de depósito empleada. En este sentido, como la viscosidad del sol aumenta de forma exponencial a medida que pasa el tiempo y por tanto se puede hacer el depósito de la capa en condiciones óptimas seleccionando como instante de depósito aquel en que la viscosidad de la solución sea la más conveniente según el método empleado. En esta variante no se toman medidas para evitar la evaporación del solvente, la cual facilita el proceso de gelificaci�n aumentando la velocidad a la que se produce la condensación de la matriz orgánica. En esta invención se entiende que “depositar en solo parte del soporte” comprende cualquier forma de nano, micro o macro estructuración de la capa como por ejemplo la que se puede conseguir por litografía, disolución selectiva, impresión por chorro de tinta, o cualquier otro sistema conocido por el experto en la materia capaz de generar una estructuración de la capa dando lugar a zonas recubiertas por la composición sol-gel y otras que no lo son.

El soporte sobre el que se deposita la composición líquida sol-gel puede ser seleccionado dentro del grupo compuesto por materiales plásticos como el poli�ster o el polietileno tereftalato; al�mina, vidrio o silicio. Preferiblemente, el espesor de la capa a depositar sobre el soporte es inferior a 100 micras, siendo más preferiblemente inferior a 10 micras.

La obtención del material nanocompuesto de carbono mediante su deposición en forma de capa sobre un soporte o substrato es idónea para la fabricación de electrodos miniaturizados de capa fina, ya que dichos electrodos se preparan directamente del método que aquí se describe.

La etapa de secado del gel se puede llevar a cabo a temperatura ambiente o bien calentando a temperaturas más elevadas. En otra variante de la invención el secado del gel puede realizarse utilizando tecnologías de fluidos supercríticos, mediante el intercambio del solvente atrapado en los poros del gel húmedo por CO2 líquido y su posterior extracción en condiciones supercríticas tal y como se describe en la literatura (Pekala, R. W., Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde. Journal of Materials Science 1989, 24 (9), 3221-3227).

Seg�n la forma de realización preferida de la invención, la etapa de pir�lisis se realiza en una atmosfera inerte (de gas Argón o Nitrógeno) a una temperatura entre 800�C y 1000�C, más preferentemente a una temperatura de 900�C. La duración del tratamiento a la temperatura de pir�lisis est� preferentemente comprendida entre 1 y 4 horas, siendo más preferentemente todavía de 2 horas.

En un caso preferido, las partículas de Bi de forma esférica presentan preferentemente un tamaño (diámetro medio) comprendido entre los 30 nm y los 300 nm, siendo dicho tamaño medio más preferentemente de 60 nm. La forma y el tamaño de las nanopart�culas se han medido mediante microscopia electrónica de barrido (Figura 3).

En un caso preferido de la invención, las nanopart�culas de Bi comprenden además otros elementos met�licos seleccionados entre Sb, Cu y su combinación. Dichos elementos met�licos son adicionados a la composición sol-gel por medio de precursores que los contienen, y de la misma forma que en el caso del bismuto: en la primera etapa a) disolviéndose en el solvente junto al precursor orgánico para formar parte de la composición sol-gel, o en la tercera etapa c) impregnando el gel orgánico húmedo con una solución del precursor o precursores de Sn y/o Cu en el solvente antes del secado. El precursor o precursores de Cu y Sb son seleccionados dentro del grupo de sales de estos metales compuesto por nitratos, carbonatos, cloruros, acetatos, hidr�xidos y óxidos.

En una realización preferida de la invención, el material compuesto comprende además una segunda matriz interpenetrada con la matriz de carbono, que es una matriz de SiO2 y que se añade al precursor del carbono en la primera etapa mediante al menos un precursor de SiO2.

El precursor de Si es seleccionado dentro del grupo de compuestos formado por alc�xido de Si, tetracloruro de Si, silicato de amonio, ácido sil�cico, silicato sádico, ortosilicato de sodio, pirosilicato de sodio y cualquier combinación de los mismos. Los alc�xidos de Silicio se seleccionan dentro del grupo compuesto por tetramethoxisilano, tetraetoxiortosilano, (3-mercaptopropil)-trimetoxisilano, (3-aminopropil)trietoxisilano, N-(3-trim�thoxysilylpropyl)-pyrrole, 3-(2,4 dinitrofenilamino)propiltrietoxisilano, N-(2-aminoetil)-3-aminopropiltrimethoxisilano, feniltrietoxisilano y metiltrietoxisilano.

La relación molar entre el precursor de SiO2 y el precursor orgánico de la matriz de carbono en la solución líquida sol-gel que se prepara en la primera etapa del procedimiento est� comprendida entre 0.1 y 0.5.

Tambi�n de manera preferida, el material compuesto objeto de interés es obtenible mediante un procedimiento en el que además se funcionaliza la matriz de carbono mediante la disolución de los precursores pertinentes en la etapa de formación del sol (etapa a) según la descripción general de la invención).

El material obtenido se caracteriza por el hecho de poder ser utilizado en la detección de pequeñas concentraciones de metales pesados tales como Cd, Pb, Zn, Cu y Ni en solución, como puede ser el agua. Por esta razón, dicho material compuesto tiene como fin preferido formar parte de la composición de transductores electroqu�micos, constituyendo el elemento activo del mismo que va a reaccionar y determinar la concentración de los metales pesados. Dicho elemento activo convierte el transductor electroqu�mico en un sensor. En el caso más preferido, el sensor tiene la capacidad de detección selectiva mediante técnicas voltamperom�tricas de redisoluci�n an�dica (ASV) de metales pesados seleccionados entre los citados aquí: Cd, Pb, Zn, Cu y Ni en solución.

En una realización preferida, el transductor electroqu�mico es un transductor miniaturizado y se fabrica mediante una única etapa que consiste en depositar el material compuesto por litografía blanda sobre un substrato adecuado (materiales plásticos como el poli�ster o el polietileno tereftalato; al�mina, vidrio o silicio). En otra realización preferida, el transductor electroqu�mico es un transductor miniaturizado y se fabrica mediante deposición de una o más capas de espesor inferior a 10 micras del material compuesto por deposición mediante una de las técnicas seleccionadas entre spin-coating, dip-coating, spray-coating.

Descripci�n de las figuras

La Figura 1 presenta un esquema del procedimiento de preparación del material compuesto objeto de la invención.

Etapa a): Preparación de la composición líquida sol-gel. Etapa b): Deposición del sol-gel en el molde o el soporte. Etapa c): Condensación-gelificaci�n de la composición líquida. Etapa d): Secado del gel. Etapa e): Pir�lisis del gel. Etapa f): Adición de precursores de Bi met�lico a la composición líquida sol-gel o impregnación del gel líquido condensado con una solución de precursores de Bi met�lico en solvente.

La Figura 2 muestra un difractograma de Rayos X del material compuesto obtenido con el proceso objeto de la invención.

La Figura 3 muestra una imagen de microscop�a electrónica de barrido del material compuesto obtenido con el proceso objeto de la invención.

En la Figura 4 se presentan la curvas voltamperom�tricas de onda cuadrada que demuestran la detección electroqu�mica simultánea por ASV de concentraciones de Cd, Pb, Zn y Cu a una concentración de 50 ppb.

En la Figura 5 y la Figura 6 se presentan la curvas voltamperom�tricas que demuestran la detección electroqu�mica por ASV de concentraciones de Cd y Pb entre 10 ppb y 80 ppb y entre 2 ppb y 10 ppb, respectivamente.

Ejemplos

A continuación se especifican los detalles de la síntesis de materiales compuestos objeto de la presente invención, y se analizan sus propiedades para la detección de metales pesados como material activo de un sensor mediante ASV.

Ejemplo 1. Preparación de un material compuesto según la presente invención.

Precursores empleados:

-: R: Resorcinol de la empresa Sigma Aldrich de pureza >99.0 %

-: F: Solución de Formaldeh�do al 37 % en peso en Agua con 10-15% de Metanol (estabilizante) de la empresa Sigma Aldrich

-: Bi(NO3)3�5H2O de la Empresa Sigma Aldrich de pureza >98%

-: Agua destilada (H2O)

-: Acido acético (CH3COOH) de pureza >99.7 %

-: Na2CO3 de Sigma Aldrich de pureza >99.95 %

Se prepar� una solución con la siguiente composición molar inicial:

1 R, 2 F, 18.9 H2O, 0.01 Na2CO3

30 ml de esta composición sol-gel se vertieron en un recipiente que se cerr� herméticamente con un tapón a este efecto y se mantuvo en una estufa a 60�C. Al cabo de aproximadamente 2 h se había formado un gel. El gel se mantuvo 24 h más en la estufa a 60�C. Se extrajo el gel de su recipiente y se rompió en trozos irregulares cuya mayor dimensión tenía entre 1 y 2 cm los cuales se sumergieron durante 2 h en CH3COOH.

Se prepar� una solución 0.2 M de Bi(NO3)3�5H2O en CH3COOH. Se sacaron los trozos de gel sumergidos en CH3COOH durante al menos 2 h y se sumergieron durante 1h en esta solución.

Los trozos de gel orgánico impregnados con la solución de Nitrato de Bi se extrajeron de la misma y se pusieron en un cristalizador que se situ� debajo de una campana de extracción para proceder a la evaporación del CH3COOH, durante 24 h.

Se procedió al tratamiento de pir�lisis del gel seco en un horno tubular en una atmósfera de Nitrógeno con un flujo de 120 cc/min. Se calentó el material de temperatura ambiente hasta 350�C a una velocidad de 100�C/h. Durante 30 minutos el material se mantuvo a 350�C y a continuación se volvió a calentar hasta 600�C a 100�C/h y de 600�C hasta 900�C a 200�C/h. El material se mantuvo a 900�C durante 2h y a continuación se enfri� hasta temperatura ambiente a 350�C/h.

El material resultante es una matriz de carbono amorfo que contiene nanopart�culas de Bi tal como se aprecia en el difractograma de la Fig. 2, en la que se muestra como los datos experimentales se han podido ajustar mediante el método Rietveld considerando únicamente el Bi tetragonal como fase cristalina. Dicho ajuste ha mostrado que el tamaño medio de las partículas se sitúa alrededor de los 60 nm. Esta microestructura queda confirmada por la imagen de microscopia electrónica de barrido y el correspondiente histograma de tamaños de partículas de la Figura 3.

Se observ�, tanto en el material aquí obtenido como en los correspondientes a los ejemplos que siguen, las nanopart�culas de Bi se encuentran recubiertas por una capa de óxido de Bi (Bi2O3). Se trata de un óxido que se forma espontáneamente al entrar el material en contacto con el aire después de la etapa de pirolisis en atmósfera inerte. También se comprob� que en cualquier proceso de medida electroqu�mica empleando este material la capa de óxido que recubre las nanopart�culas se reduce y se convierte en Bi met�lico, por lo que su existencia no interfiere en la medida.

Ejemplo 2. Estudio de las propiedades electroqu�micas del material compuesto preparado en el Ejemplo 1.

El material resultante de la pir�lisis se molió durante 5 minutos en pasta mediante un mortero de bolas Retzsch y se mezcl� con una parafina a razón de 1 g de material por 0.4 ml de parafina. Un pequeña cantidad de esta pasta se comprimió en un cilindro de tefl�n con una barrita de acero, de modo que la pasta quedase enrasada en uno de los extremos del cilindro y as� poder comprobar su eficacia como electrodo de trabajo para la detección de metales pesados.

La detección de Cd y Pb del material se comprob� en soluciones acuosas tamponadas a pH 4.5 de diferente concentración de estos metales utilizando la técnica de ASV, donde la redisoluci�n se realizó por voltamperometr�a de onda cuadrada. Se emple� un tiempo de acumulación de 120 s a -1.3 V, haciendo un barrido de -1.3 V hasta +0.8 V con una frecuencia de 20 Hz, una amplitud de 25 mV y una paso de 5 mV. Se utilizó un electrodo de Ag/AgCl como electrodo de referencia y uno de Pt como electrodo auxiliar. Los picos de oxidación del Pb y el Cd para diferentes concentraciones se presentan en las Figuras 4 y 5.

Ejemplo 3. Preparación de un segundo material compuesto según la presente invención.

Precursores empleados:

-: R: Resorcinol de la empresa Sigma Aldrich de pureza >99.0 %

-: Bi(NO3)3�5H2O de la Empresa Sigma Aldrich de pureza >98%

-: Agua destilada (H2O)

-: Acido acético (CH3COOH) de pureza >99.7 %

-: Glicerol Formal (GF) (47% 5-hydroxy-1,3-dioxane, 33% 4-hydroxymethyl-1,3-dioxolane)

Se prepar� una solución con la siguiente composición molar:

1 R, 2 F, 3.85 CH3COOH, 0.57 NH4OH, 6.36 GF, 0.14 Bi

Para ello se disolvió primero la cantidad de Bi(NO3)3�5H2O en 5 ml GF para obtener una concentración 0.25 M y a esta mezcla se le a�adi� R y después F. El pH de la mezcla se aument� desde 2 hasta 4 con una solución acuosa de NH4OH para favorecer la formación del gel. Después de añadir el NH4OH, el sol se puede volver ligeramente opaco y el pH se puede ajustar con CH3COOH, lo que hace que se redisuelvan los precipitados obteniéndose un sol completamente transparente. Estas mezclas se vertieron en un recipiente que se cerr� herméticamente con un tapón a este efecto y se mantuvo en una estufa a 60�C. En menos de 12 h se había formado un gel. El gel se mantuvo 24 h más en la estufa a 60�C. Se extrajo el gel de su recipiente y se rompió en trozos irregulares cuya mayor dimensión tenía entre 1 y 2 cm y se pusieron en un cristalizador que se situ� debajo de una campana de extracción para proceder al secado del gel durante 24h. El gel seco se piroliz� y caracterizó como en el ejemplo 1 obteniéndose resultados comparables. El estudio de las propiedades electroqu�micas del material compuesto resultante se realizó en las mismas condiciones descritas en el ejemplo 2, obteniéndose resultados comparables.

Ejemplo 4. Preparación de un tercer material compuesto según la presente invención.

Precursores empleados:

-: R: Resorcinol de la empresa Sigma Aldrich de pureza >99.0 %

-: Bi(NO3)3�5H2O de la Empresa Sigma Aldrich de pureza >98%

-: Agua destilada (H2O)

-: Acido acético (CH3COOH) de pureza >99.7 %

-: (3-Aminopropil)trietoxisilano (APTES) de pureza >98 %

-: Etanol Absoluto (EtOH)

Se prepar� una solución con la siguiente composición molar:

1 R, 2 F, 9.62 CH3COOH, 1.23 APTES, 53.23 EtOH, 0.02 Bi

Para ello se disolvió primero la cantidad de Bi(NO3)3�5H2O en CH3COOH y se a�adi� el solvente (EtOH) y el APTES para luego disolver el R y finalmente añadir la solución de F. El sol se vertió en un recipiente que se cerr� herméticamente con un tapón a este efecto y se mantuvo en una estufa a 60�C. En menos de 1 h se había formado un gel. El gel se mantuvo 24 h más en la estufa a 60�C. Se extrajo el gel de su recipiente y se rompió en trozos irregulares cuya mayor dimensión tenía entre 1 y 2 cm y se pusieron en un cristalizador que se situ� debajo de una campana de extracción para proceder al secado del gel durante 24h. El gel seco se piroliz� y caracterizó como en los ejemplos 1 y 3 obteniéndose resultados comparables. El estudio de las propiedades electroqu�micas del material compuesto resultante se realizó en las mismas condiciones descritas en el ejemplo 2, obteniéndose resultados comparables.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un material compuesto que comprende una matriz porosa de carbono amorfo con un tamaño de poro comprendido entre 2 y 1000 nm, en la que se encuentran embebidas y distribuidas homog�neamente nanopart�culas esféricas de tamaño comprendido entre 5 y 500 nm de al menos un elemento met�lico que es Bi en fase cristalina tetragonal, obtenible mediante un procedimiento que comprende al menos las siguientes etapas:

a) preparar una composición líquida sol-gel en forma de solución que contiene al menos un precursor orgánico de

la matriz en un solvente;

b) depositar la solución líquida dentro de un molde, o sobre un soporte en forma de capa o microestructura;

c) condensar la solución líquida que contiene el precursor orgánico en el molde o en el soporte, hasta dar lugar a

un gel orgánico húmedo;

d) secar el gel húmedo; y

e) someter el gel a pir�lisis, en atmósfera inerte a una temperatura igual o superior a 800�C;

donde al menos un precursor del Bi se adiciona en la primera etapa a) disolviéndose en el solvente junto al precursor orgánico para formar parte de la composición sol-gel, o se adiciona en la tercera etapa c) impregnando el gel orgánico húmedo con una solución del precursor de Bi en un solvente antes del secado; y donde el material presenta un área superficial de Bi comprendida entre 2.5�102 cm2/g y 2.5�105 cm2/g y la matriz presenta una porosidad intrínseca accesible comprendida entre 10% y 95% respecto al carbono no poroso.
2.

Material compuesto según la reivindicación 1, donde el precursor orgánico de la matriz de carbono es seleccionado entre derivados del benceno y aldeh�dos.
3.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde el derivado del benceno es resorcinol y el aldeh�do es un formaldeh�do.
4.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el precursor orgánico de la matriz constituye entre 0.01% y 95% en masa total de la composición sol-gel.
5.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde el precursor orgánico de la matriz constituye entre 3% y 60% en masa total de la composición sol-gel.
6.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el solvente de la composición líquida sol-gel es seleccionado dentro del grupo compuesto por agua, un alcohol, ácido acético y cualquier mezcla de los mismos.
7.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se añade a la solución líquida solgel al menos un catalizador para favorecer la condensación y formación del gel y aumentar el pH, siendo seleccionado entre carbonato sádico e hidróxido am�nico.
8.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se añade a la solución líquida solgel al menos un agente seleccionado dentro del grupo compuesto por: un segundo agente de control de pH, un agente modificador inductor de porosidad, y un agente de control de la viscosidad de la composición sol-gel y cualquier combinación de los mismos.
9.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el volumen del molde es inferior a 2000 ml.
10.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde el volumen del molde est� comprendido entre 20 y 200 ml.
11.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la condensación en el molde se realiza a una temperatura comprendida entre 20�C y 80�C.
12.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde la condensación en el molde se realiza a una temperatura comprendida entre 50�C y 70�C.
13.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el soporte sobre el que se deposita la solución líquida sol-gel es seleccionado dentro del grupo formado por materiales plásticos seleccionados entre poli�ster

o polietileno tereftalato; al�mina, vidrio y silicio.
14.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y 13, donde la solución sol-gel se deposita sobre el soporte mediante una de las técnicas seleccionadas dentro del grupo compuesto por spin-coating, dip-coating y spray-coating.
15.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, 13 y 14, donde la capa de la solución líquida sol-gel se deposita con un espesor inferior a 100 micras.
16.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y 13 a 15, donde la solución sol-gel se deposita únicamente sobre parte del soporte mediante una de las técnicas seleccionadas dentro del grupo compuesto por litografía, disolución selectiva e impresión por chorro de tinta.
17.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el secado se lleva a cabo mediante una de las técnicas seleccionadas dentro del grupo formado por: secado a temperatura ambiente, secado a temperatura superior a la temperatura ambiente y secado por técnica de fluidos supercríticos mediante CO2.
18.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la pir�lisis se realiza en una atmosfera inerte de gas Argón o Nitrógeno a una temperatura comprendida entre 800�C y 1000�C.
19.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde la pir�lisis se lleva a cabo a una temperatura de 900�C.
20.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la duración del tratamiento a la temperatura de pir�lisis est� comprendida entre 1 y 4 horas.
21.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde la duración del tratamiento a temperatura de pir�lisis es de 2 horas.
22.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las nanopart�culas de Bi tienen un tamaño comprendido entre 30 y 300 nm.
23.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde las nanopart�culas de Bi tienen un tamaño medio de 60 nm.
24.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el precursor de Bi met�lico es al menos una sal de este metal, siendo dicha sal seleccionada dentro del grupo compuesto por nitratos, carbonatos, cloruros, acetatos, hidr�xidos y óxidos.
25.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el precursor de Bi est� presente en la solución líquida sol-gel en un porcentaje comprendido entre 1% y 20% en masa total de dicha composición cuando dicho precursor del Bi met�lico se introduce en la composición líquida sol-gel que se prepara en la primera etapa.
26.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24, donde la solución de solvente con la que se impregna el gel condensado en la tercera etapa antes del secado contiene el precursor de Bi met�lico en una concentración molar comprendida entre 0.01 M y 0.4 M.
27.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde la concentración molar del precursor de Bi met�lico est� comprendida entre 0.02 y 0.2 M.
28.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las nanopart�culas de Bi comprenden al menos un segundo elemento met�lico seleccionado entre Sb, Cu y la combinación de los mismos.
29.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde el segundo elemento met�lico es adicionado a la composición en la primera etapa a) disolviéndose en el solvente junto al precursor orgánico para formar parte de la composición sol-gel, o se adiciona en la tercera etapa c) impregnando el gel orgánico húmedo con una solución del precursor de Bi en un solvente antes del secado.
30.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 28 � 29, donde el precursor o precursores de Cu y Sb son seleccionados dentro del grupo de sales de estos metales compuesto por nitratos, carbonatos, cloruros, acetatos, hidr�xidos y óxidos.
31.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material compuesto comprende además una segunda matriz interpenetrada con la matriz de carbono amorfo, que es una matriz de SiO2 y que se añade al precursor del carbono en la primera etapa mediante al menos un precursor de Si.
32.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde el precursor de Si es seleccionado dentro del grupo de compuestos formado por alc�xido de Si, tetracloruro de Si, silicato de amonio, ácido sil�cico, silicato sádico, ortosilicato de sodio, pirosilicato de sodio y cualquier combinación de los mismos.
33.

Material compuesto según la reivindicación anterior, donde los alc�xidos de Silicio se seleccionan dentro del grupo compuesto por tetramethoxisilano, tetraetoxiortosilano, (3-mercaptopropil)-trimetoxisilano, (3-aminopropil)trietoxisilano, N-(3-trim�thoxysilylpropyl)-pyrrole, 3-(2,4 dinitrofenilamino)propiltrietoxisilano, N-(2-aminoetil)-3aminopropiltrimethoxisilano, feniltrietoxisilano y metiltrietoxisilano.
34.

Material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 31 a 33, donde la relación molar entre el precursor de Si y el precursor orgánico de la matriz de carbono en la solución líquida sol-gel que se prepara en la primera etapa del procedimiento est� comprendida entre 0.1 y 0.5 M.
35.

Un método de obtención del material compuesto descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprende al menos las siguientes etapas: a) preparar una composición líquida sol-gel en forma de solución que contiene al menos un precursor

org�nico de la matriz en un solvente;

b) depositar la solución líquida dentro de un molde, o sobre un soporte en forma de capa o microestructura;

c) condensar la solución líquida que contiene el precursor orgánico en el molde o en el soporte, hasta dar

lugar a un gel orgánico húmedo;

d) secar el gel húmedo; y

e) someter el gel a pir�lisis, en atmósfera inerte a una temperatura igual o superior a 800�C,

donde al menos un precursor del Bi se adiciona en la primera etapa a) disolviéndose en el solvente junto al precursor orgánico para formar parte de la composición sol-gel, o se adiciona en la tercera etapa c) impregnando el gel orgánico húmedo con una solución del precursor de Bi en un solvente antes del secado.
36.

Un polvo constituido a partir del material compuesto descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 34, que presenta una granulometr�a de tamaño comprendido entre 1 y 15 micras.
37.

Uso del material compuesto descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 34 para la fabricación de transductores electroqu�micos.
38.

Uso según la reivindicación anterior, donde el transductor electroqu�mico es un electrodo del cual el material compuesto constituye el elemento activo.
39.

Uso según la reivindicación anterior, donde el electrodo es un sensor de detección mediante ASV de metales pesados en solución.
40.

Uso según la reivindicación 37, donde el transductor electroqu�mico es un transductor miniaturizado y se fabrica mediante una única etapa que consiste en depositar el material compuesto por litografía blanda sobre un substrato seleccionado dentro del grupo formado por materiales plásticos seleccionados entre poli�ster o polietileno tereftalato; al�mina, vidrio y silicio.
41.

Uso según la reivindicación 37, donde el transductor electroqu�mico es un transductor miniaturizado y se fabrica mediante deposición de una o más capas de espesor inferior a 10 micras del material compuesto por deposición mediante una de las técnicas seleccionadas entre spin-coating, dip-coating y spray-coating.
42.

Un transductor electroqu�mico que comprende el material compuesto descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 34 como elemento activo.
43.

Transductor electroqu�mico según la reivindicación anterior, que es un sensor de detección de metales pesados en solución mediante ASV.