Estudio de las propiedades térmicas y eléctricas del carbón activado obtenido del precursor guadua angustifolia KUNTH
Trabajo de grado - Maestría
2016-12-14
Ciencias Básicas y Tecnologias - Maestría en Ciencias de los Materiales
Se reporta la fabricación y la caracterización morfológica, elemental, estructural, térmica y eléctrica de carbón activado (CA) a partir del precursor Guadua angustifolia Kunth biotipo macana. El CA se obtuvo mediante descomposición térmica en un sistema de pirolisis, bajo atmósfera controlada de N2 a diferentes temperaturas de carbonización 573, 673, 773, 873 y 973 K durante 1 h y fue activado empleando NaOH en una relación 4:1 a una temperatura de 973 K durante 1 h. Inicialmente, se realizó la caracterización morfológica y textural de las muestras, empleando las técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y Brunauer-Emmett-Teller (BET). Mediante la técnica de SEM se encontró la distribución del área de partícula y empleando el método de BET, se obtuvo el área superficial y la porosidad. Se realizaron mediciones de análisis elemental con sonda EDS en un sistema de SEM. Se hizo espectroscopia de FTIR a temperatura ambiente y se lograron identificar los grupos funcionales en 705, 1041, 1141, 1650 y 3455 cm-1 asociados a la presencia de los enlaces C-C, Si-O, C-O, C=C y O-H; respectivamente. Estos enlaces concuerdan con los resultados de EDS. Además, mediante espectroscopia Raman, se logró identificar la estructura grafítica para las muestras de carbón activado CA-773K, CA-873K y CA-973K debido a la presencia de la banda G en 1563 cm-1, la cual concuerda con lo reportado en la literatura especializada. De esta forma, los resultados encontrados permitieron establecer una configuración estructural aproximada del CA. También, se realizó la caracterización térmica empleando mediciones de TG, DSC y conductividad térmica según sistema Co-Patent 2012-9821. Los resultados de TG y DSC sugieren que las muestras de CA se comportan térmicamente de manera estable en el rango de temperaturas desde 253 hasta 873 K y mediante el sistema Co-Patent 2012-9821 se encontró un valor aproximado de conductividad térmica de 0.280 W/m K para todas las muestras de CA, en las cuales el mecanismo principal de dispersión térmica podría atribuirse a la interacción fonón-fonón, debido al apilamiento de planos de grafeno oxidado, tal como se puede inferir de los análisis de los ensanchamientos de los espectros Raman. Finalmente, se realizaron mediciones de I vs. V por el método de Wenner y de dos puntas. Los resultados por el método Wenner presentan un comportamiento óhmico, cuya conductividad eléctrica varía con respecto a la concentración de oxígeno y el posible mecanismo de transporte es la dispersión portador de carga con impurezas en donde la conducción eléctrica se estaría realizando por los puentes con presencia de oxígeno. Por el método de dos puntas, se obtuvieron comportamientos no lineales debido a la unión metal-CA, lo cual podría ser utilizado en la industria de la electrónica en el campo de diodos de punto de contacto. Asimismo, estos resultados sugieren que las muestras de CA podrían ser utilizadas en el almacenamiento de energía eléctrica y térmica y en la elaboración de filtros de agua y aire. present research reports the manufacturing of activated charcoal (AC’s) using the Bamboo angustifolia Kunth macana biotype precursor. The AC’s were obtained through thermal decomposition in a pyrolysis system, under a low atmosphere controlled by N2 at different carbonization temperatures such as 573, 673, 773, 873 and 973 K for one hour and it was activated using NaOH in a relation 4:1 at 973 K for one hour. Initially, a morphological and textural characterization was carried out by SEM technique and Brunauer-Emmett-Teller; finding its surface area distribution, particle size and porosity. Furthermore were performed elemental analysis in SEM system (EDS) and FTIR in room temperature, which help us to understand the composition of samples. FTIR spectra analysis allowed identifying presence of different functional groups in all samples, these showed five peaks in 705, 1041, 1141, 1650, and 3455 cm-1, which presence has been attributed to functional groups: C-C, Si-O, C-O,C=C and -OH respectively, these outcomes are consistent with EDS results found. Additionally, structural measures were undertaken using Raman microscopy, it was found the graphite structure in activated carbon samples CA-773K, CA-873K and CA-973K, due to presence of peak 1563 cm-1 associated to G band (graphite Raman band), which is consistent with reported in specialized literature. Besides, the results allowed establishing an AC approximate structural configuration. The thermal characterization was made by TG, DSC and measurements in thermal conductivity Co-Patent 2012-9821. It was discovered that activated charcoal is thermally stable in a range from 253 to 873 K. Also, thermal conductivity values were obtained for all AC’s samples, getting outcomes of 0.280 W/m K, in which the main mechanism of the thermal scattering could be attributed to phonon-phonon interaction, due to stacking of graphene planes oxidized, as can be inferred from the broadening Raman spectra analysis. Finally I vs. V measurements were made with the Wenner and two peaks method. The I vs. V curves by the Wenner method results showed an ohmic response, whose electronic conductivity varies in respect to the oxygen concentration and the possible transportation mechanism which is a load carrier with impurities where its electric conduction could have been by the oxygen bridges; similarly the I vs. V curves obtained by the results of two peaks method showed non lineal behaviors, due the junction of AC and metal, which could be used in the electronic industry specifically in the point-contact diodes field.