FIS Tesis doctorado

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https://repositorio.uc.cl/handle/11534/22400

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Browsing FIS Tesis doctorado by Author "Díaz, Donovan"

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    Desarrollo de hidrogeles a base de óxido de grafeno y cobre para usos en tratamiento de aguas
    (2022) Acuña Porras, Camilo; Díaz, Donovan; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
    En el presente trabajo se modificó químicamente (grado de oxidación) y morfológicamente (tamaño de lámina) láminas de óxido de grafeno (GO) en solución sintetizado por método de Hummers modificado, además se sintetizó partículas de cobre (PCu) como refuerzo, posteriormente se crecieron hidrogeles con GO (GOH) y PCu (Cu-GOH) por vía hidrotermal. Con los hidrogeles se realizaron pruebas de adsorción de azul de metileno (AM) disuelto en agua, con el fin de determinar correlaciones entre las características químicas, estructurales y morfológicas de los hidrogeles con la capacidad y cinética de adsorción del AM como impureza del agua. La modificación química se realizó variando la cantidad del agente oxidante y el tipo de grafito de partida en la síntesis de GO. Esta modifico el grado oxidación y la distribución de grupos funcionales del GO, estudiado por espectroscopía XPS. Se encontró una reducción de los grupos funcionales oxigenados (OFG) al variar la cantidad de KMnO4, además de un punto de saturación en que el KMnO4 no influía en la química del GO. También se observó el efecto del tipo de grafito en la formación de hidrogeles, cuando se usó grafito amorfo este no se formó en contraposición a el grafito laminado donde se formó el hidrogel. La modificación morfológica consistió en un pretratamiento de sonicación a distintos intervalos de tiempo 30min, 60min, 90min, 120min, 180min y 240min en la síntesis de GO (in-situ). Y postratamiento de sonicación a distintas potencias comprendidas entre 50 y 200 W, y a tiempos de exposición de 5 y 10 minutos del GO sintetizado en solución (Post síntesis). El grado de oxidación y OFG se analizaron por los espectros de alta resolución (C1s y O1s) XPS, determinando que la sonicación del GO no presenta modificaciones significativas en la distribución de OFG y una consistencia en su grado de oxidación (relación C:O). Adicionalmente, el tamaño de lámina promedio se obtuvo por procesamiento de imágenes AFM, Para la solución de GO base encontró un valor entre 25040 - 33516 nm2 ; Para pretratamiento in-situ 57120 - 37220 nm2 ; Y post síntesis 5410 - 13620nm2 . Se observó que el tiempo de sonicación afecta el tamaño de lámina para el tratamiento in-situ como para el post síntesis. Los hidrogeles crecidos vía hidrotermal mostraron una estructura porosa (entrecruzamiento de láminas de GO) en la superficie por imágenes SEM. Químicamente se observó por los espectros de alta resolución C1s y O1s de XPS un proceso de reducción de los OFG por la síntesis hidrotermal. También la incorporación PCu afecto la morfología (interacción de láminas de GO con CuP), estructura (cambios de fases cristalinas de PCu) y química (Oxidación de PCu y reducción del GO) del hidrogel. Las pruebas de adsorción de AM se hicieron con dos concentraciones iniciales una de 1.2 mg⁄L para los hidrogeles modificados y con PCu Y de 100 mg⁄Lpara hidrogeles con la solución GO base (sin modificación morfológica y química), y condiciones de agitación y temperatura. El hidrogel con GO base y con PCu adsorben el AM eficientemente comparado a los modificados. Los hidrogeles bajo condiciones de temperatura y agitación tienen una capacidad de adsorción entre 21.99—38.45 mg⁄g. Estos hidrogeles, se analizó la cinética de adsorción mediante dos modelos, Pseudo-First Order (PFO) y Pseudo-Second Order (PSO), inicialmente la adsorción mostro que la remoción del tinte se produce por fisisorción dado los valores termodinámicos (entalpia, energía libre de Gibbs y entropía).
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    Study on the properties of CO2 adsorption and CO detection by materials based on modified graphene oxide and copper oxide composites
    (2025) Roble Albeal, Martín Cristián; Díaz, Donovan; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
    This doctoral thesis focused in two related topics, carbon dioxide (CO2) adsorption and carbon monoxide (CO) detection. Both research areas shared a common material, graphene oxide (GO). For CO2 adsorption, chemical modification of GO, which produced modified GO (mGO), was done using a variety of chemical compounds. For CO detection, composite materials based on hydrothermally-produced copper oxide (CuO) and GO were studied. GO was synthesized via Tour’s method and modified using ammonia (mGO-N1), hydrazine (mGO-N2), sodium sulfide (mGO-S1), sodium sulfate (mGO-S2), and pure water (mGO-H), using a condensation reflux system and under the same reaction temperature and time. Modifications aimed to introduce heteroatoms (N, S) and alter the oxygen functional groups inGO. The obtained materials were characterized by a variety of techniques, and their CO2 adsorption capacity measured using a quartz crystal microbalance (QCMB) setup. As determined from UV-Visible absorption and X-ray Photoelectron spectroscopies, the modified GO presented shifts in their UV-Vis absorption peak (π→π* transition going from 228 nm in GO to 277 nm in mGO-N2), and nitrogen doping (4.5 at% for mGO-N1), while S-doping was ineffective (only 0.4% for mGO-S2). Raman analysis suggested that vacancy-type defects could dominate over other vacancy types, but the significance of this result was limited by the low crystallinity of the materials. Scanning electron Microscopy (SEM) revealed significant differences in the conformation of the mGO films. From QCMB measurements, it was found that mGO-N1 achieved the highest CO₂ adsorption capacity (~1.2 wt% at 45 torr), attributed mostly to N-dopants acting as Lewis base sites. On the contrary, mGO-H exhibited the lowest capacity due to its lack of adsorption sites (N-doping, oxygen functional groups) and visible diffusion channels. Furthermore, it was observed that film thickness in GO influenced kinetics, with medium thicknessoptimizing CO2 adsorption capacity in the adsorption timeframes studied. Selectivity tests confirmed mGO-N1’s superior CO₂/CO discrimination, over GO and mGO-H. For CO detection, CuO microplates with estimated lengths and thicknesses of around 2-3mm and 35 nm, respectively, were hydrothermally synthesized with/without addition of GO. Additionally, composites were also prepared by physically mixing CuO with GO, followed by thermal reduction at 150°C and 250°C. The obtained materials were deposited on gold/platinum interdigitated electrodes, and placed inside a testing chamber where their response towards CO was studied under flow-regime.SEM confirmed CuO’s planar morphology, while XRD identified tenorite as the single phase in CuO. For CuO-rGO composites, SEM identified the presence of both phases in composites with high content of GO, but identification of this phase was limited for the composites with low GO content. Similarly, CuO-rGO composite analyzed by XRD lacked a diffraction peak attributable to GO/rGO, due to high dispersion of the GO sheets and low mass content. However, Raman spectroscopy and XPS confirmed the effective formation of a CuO-rGO composite. In particular, XPS analysis revealed a higher reduction at 250°C (90% unoxidized carbon vs. 60% at150°C), as expected. On CO detection, it was found that all the tested materials (CuO, hydrothermal and physically-mixed composites, and rGO) exhibited p-type response towards CO. However, pure CuO sensors outperformed CuO-rGO composites in the studied temperature range, showing a comparable or higher response towards 150 ppm of CO. The optimal response of CuO sensor was found at ~165°C (S = 1.38 for 150 ppm CO, where S = RCO / Rair is the ration between the sensor resistances under CO exposure and pure air, respectively). Physically mixed CuO-GO outperformed thermally reduced CuO-rGO composites, but their unstable response difficult reallife applications. Instability refers to significant dispersion in the response at fixed temperatures of 45 and 55ºC, of 20 and 10%, respectively. Post-thermal reduction (150°C) enhanced stability but reduced sensitivity. It was found that rGO sensor showed negligible recovery at lowtemperatures, requiring thermal "reset" steps. When compared with the literature, the observed superior performance of CuO over CuOrGO composites seems to be against the expected outcomes. It is hypothesized that the planar morphology of the CuO microstructures studied play a role in the response decrease of the composites. Interestingly, the high-yet-unstable responses of unreduced CuO-GO composites suggest that GO/rGO could play a role beyond electrical modulation through heterojunction formation between p-p semiconductors, owing to the insulating nature of GO.