UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS PELÍCULAS DE Sm Ca Fe Co O (X= 0, 0.1, 0.2 Y 0.3): 1-x x 0.7 0.3 3 PREPARACIÓN Y ESTUDIO DE SUS PROPIEDADES SENSORAS EN CO Y PROPANO Por ANDREA MITCHEL NIETO MUÑOZ Como requisito parcial para obtener el Grado de MAESTRÍA EN CIENCIAS con orientación en QUÍMICA DE LOS MATERIALES Julio, 2014 PELÍCULAS DE Sm Ca Fe Co O (X= 0, 0.1, 0.2 Y 0.3): 1-x x 0.7 0.3 3 PREPARACIÓN Y ESTUDIO DE SUS PROPIEDADES SENSORAS EN CO Y PROPANO Aprobación de la Tesis: __________________________________________________________ Dr. Tomás C. Hernández García PRESIDENTE __________________________________________________________ Dr. Juan Jacobo Ruiz Valdés SECRETARIO __________________________________________________________ Dra. Anabel Álvarez Méndez VOCAL _________________________________________________________ Dra. Ma. Araceli Hernández Ramírez SUB-DIRECTORA DE ESTUDIOS DE POSGRADO i RESUMEN Andrea Mitchel Nieto Muñoz Fecha de Graduación: Julio, 2014 Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ciencias Químicas Título del Estudio: PELÍCULAS DE Sm Ca Fe Co O (X= 0, 0.1. 0.2 Y 0.3): 1-x x 0.7 0.3 3 PREPARACIÓN Y ESTUDIO DE SUS PROPIEDADES SENSORAS EN CO Y PROPANO Número de páginas: 103 C a n d i dato para el grado de Maestría en Ciencias con orientación en Química de los Materiales. Área en Estudio: Sensores de gases Propósito y Método del Estudio: En los últimos años ha aumentado la inversión en investigación para nuevos materiales para aplicarlos específicamente en sensores de gases. Sin embargo; todavía se necesita saber más de los procesos de producción de estos materiales, así como los mecanismos que regulan la sensibilidad a los gases, a fin de orientar correctamente la investigación de materiales novedosos y prediseñados. Por otro lado la calidad de la atmósfera es un factor que afecta directamente la salud. Cerca de puntos donde existen compuestos orgánicos volátiles (COVs), la calidad del aire puede verse alterada negativamente para los seres vivos que lo respiran. Por otra parte, actualmente la posibilidad de detectar enfermedades a tiempo o antes de que causen otro tipo de alteraciones por medio del aire exhalado por el individuo, tiene un amplio interés tecnológico. Monitorizar la concentración de estos contaminantes orgánicos es vital para mantener la salubridad y salud de las personas. Es ahí donde los sensores de gases juegan un papel primordial. ii Contribuciones y Conclusiones: En este proyecto de investigación se ha llegado a la obtención de películas de Sm Ca Fe Co O (x= 0, 0.1, 0.2 y 0.3) mediante la técnica 1-x x 0.7 0.3 3 de spin-coating con polivinilpirrolidona (PVP) como aditivo de síntesis. Las películas obtenidas se caracterizaron por difracción de rayos-X (DRX), microscopía de fuerza atómica (MFA), microscopía electrónica de barrido (MEB), también se realizaron pruebas eléctricas frente a CO y propano. Los resultados de esta investigación dieron como resultado que las películas sintetizadas presentan propiedades adecuadas para su posible aplicación en sensores de dichos gases. FIRMA DEL ASESOR: _____________________ iii AGRADECIMIENTOS Agradezco infinitamente a Dios primordialmente, por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi vida, por ser mi fortaleza en momentos difíciles, por brindarme una vida llena de experiencias positivas y personas que me han ayudado a cumplir mis metas y objetivos. Le doy gracias al Dr. Tomás C. Hernández García quien ha cumplido el papel de director de tesis, sin embargo ha sido mucho más que eso y de quien he aprendido sinnúmero de cosas que han contribuido a mi formación personal y profesional, por las personas del equipo de investigación y de las quien estoy muy agradecida, Leslie Madín, Abraham Calderón, Edgar Bautista, Nohemi Martínez y Brenda Mata. Le agradezco al Dr. Francisco J. Garza Méndez, por el apoyo brindado durante toda mi carrera y doy gracias por todos los consejos que me aportó y por el tiempo que dedico a esta investigación. Doy gracias a todos los maestros de los cuales aprendí con mucho gusto y aplique los conocimientos adquiridos a lo largo de los 5 años en la licenciatura y 2 años de estudio en la maestría. A mis compañeros y amigos de la maestría, César Macías y Celene Fragoso, Carlos Olvera, Shadai Lugo, Rubí Hernández , Pablo Martínez y Mary Martínez, con los que compartí muchos momentos muy divertidos y también estresantes pero al final momentos positivos. Un profundo agradecimiento a las personas mencionadas a continuación, que colaboraron en este proyecto. Dra. Anabel Alvarez Méndez Dr. Jacobo Ruiz Valdés Dr. Eduardo M. Sánchez Cervantes Dra. Yolanda Peña Méndez iv Dra. Lorena Garza Tovar Dra. Perla Elizondo Martínez Dr. Luis Carlos Torres González Dra. Salomé Maribel De la Parra Arciniega Dr. Sylvain Jean Bernès Flouriant. Dra. Ma. Teresa Garza-González. Dra. Ma. Idalia del Consuelo Gómez de la Fuente MC. María de Jesús de la Garza Galván Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca otorgada para la realización de mis estudios. Agradecimientos a las instituciones:  Universidad Autónoma de Nuevo León  CINVESTAV-IPN, México D.F. “No hay incompatibilidad alguna entre la ciencia y la religión… La ciencia demuestra la existencia de Dios” CHRISTIAN B. ANFINSEN (1916 - 1995) v DEDICATORIA Dedicada especialmente a mis padres Guillermo Nieto Dávalos y Ma. Antonia Muñoz Ortiz que me han apoyado sobre todas las cosas, por su esfuerzo y dedicación en mi formación, porque siempre han estado al pendiente de mí y se preocupan cada vez que tengo alguna debilidad, por sus oraciones, sus consejos y por todo el apoyo que he recibido de su parte. A mis hermanos, Memo, Lucia e Irma por estar cuando los necesite y por ser los mejores hermanos que Dios me pudo haber dado. A mis abuelitos Guillermo Nieto y Raymundo Muñoz que están en el cielo con Dios y a mis dos abuelitas Lucia Dávalos e Irene Ortiz, que me han dado muchos momentos de bienestar y aprendizaje. A mi novio Alfredo Puente González, quien me ha apoyado incondicionalmente en la toma de decisiones, porque siempre ha sabido como motivarme, por hacerme soñar, por estar con migo en las buenas y en las malas, por hacerme reír siempre que lo necesite y por hacerme muy feliz. vi TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ............................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................iv DEDICATORIA ...................................................................................................................vi TABLA DE CONTENIDO ................................................................................................. vii LISTA DE TABLAS ............................................................................................................ix LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ x NOMENCLATURA ...........................................................................................................xiv 1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1 1.1 Problemas ambientales ............................................................................................ 1 1.1.1 Clasificación de los contaminantes atmosféricos ............................................. 2 1.1.2 Contaminantes primarios ................................................................................. 3 1.1.3 Monóxido de carbono ...................................................................................... 5 1.1.4 Compuestos orgánicos volátiles ....................................................................... 6 1.1.5 Propano .................................................................................................................. 8 1.2 Sensores de gases ......................................................................................................... 9 1.2.1 Aplicaciones de los sensores de gases ................................................................... 9 1.2.2 Sensor de gas tipo semiconductor ........................................................................ 12 1.2.3 Principio de funcionamiento de los sensores de gases basados en óxidos metálicos ....................................................................................................................... 13 1.3 Materiales con estructura tipo perovskita ................................................................... 18 1.3.1 Factor de tolerancia .............................................................................................. 20 1.4 Método sol-gel ............................................................................................................ 22 1.5 Técnicas para la preparación de películas .................................................................. 25 1.5.1 Películas delgadas a partir del método sol-gel ..................................................... 26 1.5.2 Spin-coating ......................................................................................................... 27 2 ANTECEDENTES ............................................................................................................ 30 2.2 Hipótesis ..................................................................................................................... 32 2.3 Objetivo general ......................................................................................................... 32 2.4 Objetivos específicos .................................................................................................. 32 vii 2.5 Metas científicas ......................................................................................................... 32 2.6 Metas académicas ....................................................................................................... 32 3 METODOLOGÍA ............................................................................................................. 34 3.1 Preparación de películas de la perovskita (x= 0, 0.1, 0.2 y 0.3) por la técnica spin- coating .............................................................................................................................. 34 3.1.1 Preparación de la solución precursora por el método sol-gel .............................. 35 3.1.2 Deposición de las películas por la técnica spin-coating ...................................... 37 3.1.3 Tratamiento térmico ............................................................................................. 39 3.2 Caracterización de los compuestos obtenidos ............................................................ 40 3.2.1 Análisis térmico diferencial y análisis termogravimétrico .................................. 40 3.2.2 Difracción de rayos-X .......................................................................................... 40 3.2.3 Microscopía de fuerza atómica ............................................................................ 41 3.2.4 Microscopía electrónica de barrido...................................................................... 41 3.3 Medición de propiedades eléctricas............................................................................ 41 3.4 Disposición de residuos .............................................................................................. 45 4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN....................................................................................... 46 4.1 Análisis térmico diferencial y análisis termogravimétrico ......................................... 46 4.2 Difracción de rayos-X ................................................................................................ 49 4.3 Microscopía de fuerza atómica ................................................................................... 59 4.4 Microscopía electrónica de barrido ............................................................................ 64 4.5 Sensibilidad en presencia de CO ................................................................................ 68 4.6 Sensibilidad en presencia de C H ............................................................................. 74 3 8 5. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 83 6. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 86 viii LISTA DE TABLAS Tabla Página Tabla 1.1 Clasificación de los contaminantes atmosféricos………………………............2 Tabla 1.2. Origen y efectos de contaminantes primarios………….....................................3 Tabla 1.3. Aplicaciones de los sensores de gases en diferentes áreas………….…..........10 Tabla 1.4. Radios iónicos de los elementos dependiendo del número de coordinación....21 Tabla 1.5. Factor de tolerancia para Sm Ca Fe Co O (x= 0, 0.1, 0.2 y 0.3)………..22 1-x x 0.7 0.3 3 Tabla 3.1 Reactivos.……………...……………………………………………………....34 Tabla 3.1 Diseño de experimentos.……………………………………………………....36 Tabla 3.2 Reactivos……………..……………………………………………...…...........34 Tabla 3.3 Disposición de residuos……………………………………………...…..........45 Tabla 4.1 Eventos térmicos sobresalientes en el termograma………….…………..........48 Tabla 4.2 Factor de tolerancia y tamaño del cristalito para los sistemas de Sm 1- Ca Fe Co O …………………………………………………………...……..............57 x x 0.7 0.3 3 Tabla 4.3 Valores de RMS de las muestras analizadas por MFA………………..............61 Tabla 4.4 Procesos presentes en la superficie de las películas…………………...………79 ix