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Fabricación de un detector de N2O a base de un polímero conductor

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Ingeniería y TecnologíaArtículo arbitrado<strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong> N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong><strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>Fabrication of a N 2 O <strong>de</strong>tector <strong>base</strong>d on aconductive polymerLUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO 1,3 , EDUARDO HERRERA-PERAZA 1Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ 2Recibido: Octubre 18, 2012 Aceptado: Enero 25, 2013ResumenRecientes investigaciones <strong>de</strong>muestran la capacidad <strong>de</strong> lapolianilina (PANI) para <strong>de</strong>tectar la presencia <strong>de</strong> diferentes gasespor medio <strong>de</strong> cambios en sus propieda<strong>de</strong>s eléctricas; estemétodo resulta <strong>de</strong> fácil diseño, síntesis directa y costosaccesibles. El objetivo <strong>de</strong> esta investigación es <strong>de</strong>mostrar lacapacidad <strong>de</strong>l <strong>polímero</strong> para <strong>de</strong>tectar la presencia <strong>de</strong> gasescontaminantes, en este caso el óxido nitroso <strong>de</strong>bido al cambio<strong>de</strong> resistencia eléctrica <strong>de</strong>l PANI. Esta metodología se basa enexponer el <strong>polímero</strong> a cierta concentración <strong>de</strong> gas y medir suscambios eléctricos. Existen métodos tales como laEspectroscopía <strong>de</strong> Impedancia Electroquímica (EIS por sus siglasen inglés) que permiten medir dichas alteraciones. Se utilizó <strong>un</strong>dispositivo <strong>de</strong> cobre recubierto con sal <strong>de</strong> PANI y expuesto a100% <strong>de</strong> concentración <strong>de</strong> N 2 O conectado a <strong>un</strong> equipo SolatronInterfase mo<strong>de</strong>lo Electroquimic 1287. Se utilizó el software Z-view para interpretar los cambios eléctricos producidos en elmaterial por medio <strong>de</strong> gráficos <strong>de</strong> Nyquist. Al conocer la estructuraquímica <strong>de</strong>l PANI y la <strong>de</strong>l N 2 O se supuso cómo se lleva a cabo el<strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> <strong>un</strong> átomo <strong>de</strong> hidrógeno, para posteriormenteser ocupado por el sitio vacante por el nitrógeno y entoncesmodificar temporalmente la ca<strong>de</strong>na polimérica y, comoconsecuencia, alterar las propieda<strong>de</strong>s <strong>conductor</strong>as <strong>de</strong>l <strong>polímero</strong>.El efecto se produce únicamente en la superficie <strong>de</strong> la película,por ello, el enlace pue<strong>de</strong> disociarse al elevar la temperatura <strong>de</strong>lsistema <strong>de</strong> 40 a 60 °C y entonces utilizar nuevamente el PANIpara <strong>un</strong>a siguiente prueba.AbstractRecent investigations <strong>de</strong>monstrate the ability of polyaniline (PANI)for <strong>de</strong>tecting the presence of different gases through changesin electrical properties, this method is easy to <strong>de</strong>sign, directsynthesis and affordable costs. The objective of this study isto <strong>de</strong>monstrate the ability of the polymer to <strong>de</strong>tect the presenceof gaseous pollutants, in this case the nitrous oxi<strong>de</strong> due to thechange of electrical resistance of PANI. This methodology is<strong>base</strong>d on exposing the polymer to a certain concentration ofgas and measure electrical changes. There are methods suchas electrochemical impedance spectroscopy (EIS for its acronymin English) that measure these changes. It was used a copper<strong>de</strong>vice coated with salt PANI and exposed to 100%concentration of N 2 O connected to a computer interface SolatronElectroquimic mo<strong>de</strong>l 1287. We used the Z-view software tointerpret the electrical changes produced in the material bymeans of Nyquist plots. By knowing the chemical structure ofPANI and N 2 O the mechanism of displacement of a hydrogenatom was assumed to be subsequently occupied by nitrogen,leading to a temporal modification of the polymeric chain whichalters the conductive properties of the polymer. The effectoccurs only on the surface of the film, therefore, the link can bedissociated by raising the system temperature from 40 °C to 60°C and then used PANI again for the next test.Keywords: <strong>de</strong>tector, electrochemical impedance spectroscopy(EIS), nitrous oxi<strong>de</strong> (N 2 O), conductive polymer.Palabras clave: <strong>de</strong>tector, espectroscopia <strong>de</strong> impedanciaelectroquímica (EIS), óxido nitroso (N 2 O), <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>._________________________________1Centro <strong>de</strong> Investigación en Materiales Avanzados, S.C. (CIMAV), Departamento Medio Ambiente y Energía, Miguel <strong>de</strong> Cervantes 120,C.P. 31109. Chihuahua, Chih. México. Tel. (614) 439-1100.2Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Chihuahua II (ITCH II). Ave. <strong>de</strong> las Industrias 11101, C.P. 31130. Chihuahua, Chih. México. Tel. (614) 442-5000.3Dirección electrónica <strong>de</strong>l autor <strong>de</strong> correspon<strong>de</strong>ncia: luisa.quinones@cimav.edu.mx.• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •25


LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: <strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>IntroducciónLa contaminación atmosférica que producen los procesos <strong>de</strong> <strong>de</strong>snitrificación por eluso <strong>de</strong> agua residual tratada (ART) produce gases peligrosos para la salud humana,como es el caso <strong>de</strong> los óxidos <strong>de</strong> nitrógeno (NOx), que ocasionan irritación en lospulmones y predisposición para contraer diferentes infecciones respiratorias, tales como lagripa y la influenza, <strong>de</strong>bido a la disminución <strong>de</strong> la resistencia <strong>de</strong>l organismo. A<strong>de</strong>más, losóxidos <strong>de</strong> nitrógeno como el N 2 O son importantes contribuyentes potenciales <strong>de</strong> fenómenosnocivos como la lluvia ácida y el efecto inverna<strong>de</strong>ro.En el estado <strong>de</strong> Chihuahua, el usosustentable <strong>de</strong>l agua constituye <strong>un</strong> reto a vencerdadas las características climáticas ehidrológicas que condicionan su escasez en<strong>un</strong>a gran parte <strong>de</strong>l territorio chihuahuense. Elaprovechamiento <strong>de</strong> las aguas residualestratadas (ART) constituye <strong>un</strong>a alternativa muyimportante para contribuir a la solución <strong>de</strong> laproblemática <strong>de</strong> escasez. Sin embargo, lapráctica <strong>de</strong> reutilización <strong>de</strong> las aguas residualestratadas genera impactos ambientales ysociales que es necesario i<strong>de</strong>ntificar y valorar,con el fin <strong>de</strong> potenciar los positivos ycontrarrestar los negativos. Por lo anterior, y<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el p<strong>un</strong>to <strong>de</strong> vista ambiental y sociocultural,es importante que se lleven a cabo otrasactivida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> evaluación y seguimiento <strong>de</strong>limpacto en los diferentes sitios <strong>de</strong> utilización,para ello, es necesario <strong>de</strong>sarrollar dispositivos<strong>de</strong> <strong>de</strong>tección y monitoreo con materialesaccesibles y bajo costo <strong>de</strong> fabricación y uso.Los sensores son dispositivos quetransforman la información física o química en<strong>un</strong>a señal útil que pueda ser procesada y, portanto, que facilite información <strong>de</strong> interés <strong>de</strong> <strong>un</strong>amanera rápida y sin necesidad <strong>de</strong> análisis muycomplejos (Elizal<strong>de</strong> et al., 2008).Estas características, combinadas con laincorporación <strong>de</strong> los últimos avances entecnologías <strong>de</strong> miniaturización en la fabricaciónmasiva <strong>de</strong> sensores, hacen <strong>de</strong> estosdispositivos <strong>un</strong>as herramientas <strong>de</strong> gran interésen la industria <strong>de</strong>dicada al monitoreo <strong>de</strong>l medioambiente.Los sensores químicos constan <strong>de</strong> <strong>un</strong>conj<strong>un</strong>to <strong>de</strong> elementos que se pue<strong>de</strong>n agruparen tres bloques básicos (Figura 1), que son: 1)el elemento <strong>de</strong> reconocimiento capaz <strong>de</strong>interaccionar <strong>de</strong> forma selectiva con elanalito(s); interacción que no tiene por qué sera través <strong>de</strong> <strong>un</strong>a reacción química; 2) elementomediante el cual se transforma la informaciónquímica en información física, generalmenteeléctrica; 3) <strong>un</strong> sistema electrónico para laamplificación y procesado <strong>de</strong> la señal que nosgenera resultados en las <strong>un</strong>ida<strong>de</strong>s químicas(molaridad, porcentaje) o físicas <strong>de</strong> interés(Janata et al.,1998).Figura 1. Bloques básicos <strong>de</strong> <strong>un</strong> sensor.La <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> gases tiene granimportancia en diversos campos, comomedicina, medioambiente, biología, agricultura,transporte o industria. Los tipos <strong>de</strong> sensorespara gases más usados son los <strong>de</strong> estadosólido, los electroquímicos y los infrarrojos.Dentro <strong>de</strong> los primeros, los sensores <strong>de</strong> estadosólido, hay tres tipos <strong>de</strong> amplio uso: a) los <strong>de</strong>electrolito sólido, b) los catalíticos y c) los <strong>de</strong>óxidos semi<strong>conductor</strong>es.26• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •


LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: <strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>Tratándose <strong>de</strong> electrolito sólido, la polianilina(PANI) es <strong>un</strong>o <strong>de</strong> los <strong>polímero</strong>s <strong>conductor</strong>es <strong>de</strong>mayor interés <strong>de</strong>bido a su estabilidad química yalta conductividad; sensores <strong>de</strong> gas basadosen materiales PANI han atraído <strong>un</strong>a atenciónconsi<strong>de</strong>rable en los últimos años <strong>de</strong>bido a suspropieda<strong>de</strong>s (Natta y Mazzanti, 1960); laconductividad <strong>de</strong>l PANI <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la capacidad<strong>de</strong> transporte <strong>de</strong> portadores <strong>de</strong> carga a lo largo<strong>de</strong> la espina dorsal <strong>de</strong>l <strong>polímero</strong> (Natta et al.,1958; Ito et al., 1974). Así, las moléculas PANIfácilmente pue<strong>de</strong>n reaccionar ante la presencia<strong>de</strong> agentes reductores y oxidantes y cambiarsu conductividad a temperatura ambiente(Fatmanur et al., 2002). La respuesta <strong>de</strong>l sensorpue<strong>de</strong> <strong>de</strong>berse a la absorción o adsorción <strong>de</strong>lN 2O en la película <strong>de</strong> PANI, ambos procesospodrían manifestar <strong>un</strong> cambio en la resistenciaeléctrica <strong>de</strong>l <strong>polímero</strong>, sin embargo, lareversibilidad <strong>de</strong>l efecto resulta muy diferentepara cada caso. La adsorción es distinta a laabsorción (Figura 2) y entre ambas <strong>de</strong>beestablecerse <strong>un</strong>a clara diferencia. En esteúltimo proceso la sustancia no se retiene en lasuperficie, sino que pasando a través penetra yse distribuye por todo el cuerpo <strong>de</strong> <strong>un</strong> sólido olíquido. Así suce<strong>de</strong> con el agua absorbida por<strong>un</strong>a esponja; mientras que varios gases sonadsorbidos por el negro <strong>de</strong> humo. Cuando existeduda <strong>de</strong>l proceso que tiene lugar, se emplea eltérmino sorción (Levenspiel, 2002).Figura 2. Diferencia entre absorción y adsorción.Cada estado redox <strong>de</strong> la polianilina estáasociado con <strong>un</strong>a estructura electrónicaespecífica, y el proceso <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong>diferentes moléculas pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>tectarse por suscambios en la resistencia y/o conductivida<strong>de</strong>léctricas y <strong>de</strong>bido a la alteración <strong>de</strong> laestructura química, resulta muy difícil para elPANI volver a su estado original (Elizal<strong>de</strong> et al.,2008). Sin embargo, si la interacción <strong>de</strong>l gascon el <strong>polímero</strong> produce únicamente <strong>un</strong>aadsorción y no <strong>un</strong>a absorción, el enlace pue<strong>de</strong>ser disociado con el aumento <strong>de</strong> temperatura<strong>de</strong>l sistema (Yan et al., 2006). Basándose enestas características, se han podido <strong>de</strong>sarrollardispositivos capaces <strong>de</strong> <strong>de</strong>tectar la presencia<strong>de</strong> distintos gases, y su reversibilidad <strong>de</strong>pen<strong>de</strong><strong>de</strong> las características <strong>de</strong> los materialesempleados.Materiales y métodosPara la síntesis <strong>de</strong>l PANI se utilizómonómero <strong>de</strong> anilina al 99%, sulfonato estireno<strong>de</strong> sodio como agente oxidante, ácido clorhídricocomo ácido protónico y persulfato <strong>de</strong> amonioutilizado como el iniciador <strong>de</strong>l proceso <strong>de</strong>polimerización.Las pruebas fueron realizadas en ellaboratorio <strong>de</strong> celdas <strong>de</strong>l Centro <strong>de</strong> Investigaciónen Materiales Avanzados (CIMAV), con apoyo<strong>de</strong>l laboratorio <strong>de</strong> química <strong>de</strong> <strong>polímero</strong>s. Parala elaboración <strong>de</strong>l dispositivo se utilizó <strong>un</strong>apelícula <strong>de</strong> cobre, compuesta <strong>de</strong> dos partes enforma <strong>de</strong> peines, cada <strong>un</strong>o con <strong>un</strong>a longitud <strong>de</strong>1 cm y con <strong>un</strong>a separación entre cada diente<strong>de</strong> 1 mm; el área total <strong>de</strong>l dispositivo es <strong>de</strong> 1cm 2 . Los peines <strong>de</strong> cobre fueron consi<strong>de</strong>rados<strong>un</strong>o como electrodo <strong>de</strong> trabajo y otro como elcontralectrodo; entre ellos se <strong>de</strong>positó el PANI,el cual se consi<strong>de</strong>ró el electrolito sólido y sobreel cual se realizaron las mediciones <strong>de</strong> cambio<strong>de</strong> resistencia eléctrica (Figura 3). Para laspruebas <strong>de</strong> voltametría se agregó <strong>un</strong>a película<strong>de</strong> níquel-fósforo con <strong>un</strong> área <strong>de</strong> 30 mm 2 sobre<strong>un</strong>o <strong>de</strong> los electrodos <strong>de</strong> cobre, logrando así <strong>un</strong>tercero, el cual se utilizó como electrodo <strong>de</strong>referencia.Síntesis <strong>de</strong> Polianilina. Ésta fue sintetizadaa través <strong>de</strong> la polimerización oxidativa en elestado <strong>de</strong> oxidación <strong>de</strong> la <strong>base</strong> <strong>de</strong> esmeraldina.La síntesis se basa en la oxidación química <strong>de</strong>la anilina mediante el uso <strong>de</strong> <strong>un</strong> agenteoxidante.• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •27


LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: <strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>Figura 3. a) Elementos que conforman el dispositivo. b) Diseño<strong>de</strong>l sensor.Procedimiento <strong>de</strong> síntesis. Se disolvióanilina (1.0 g) en 50 ml <strong>de</strong> agua <strong>de</strong>stilada, en <strong>un</strong>seg<strong>un</strong>do recipiente fue disuelto lauril éter sulfato<strong>de</strong> sodio (LESS) (3.74 g). Estas solucionesfueron mezcladas en <strong>un</strong> tercer vaso (el reactor)y se le adicionó 2.5 ml <strong>de</strong> HCl. Luego <strong>de</strong> <strong>un</strong>asuave agitación, la solución se estabiliza. Elreactor fue colocado en <strong>un</strong> recipiente con hieloy se le agrega el persulfato <strong>de</strong> amonio (APS),gota a gota con ayuda <strong>de</strong> <strong>un</strong>a pipeta. Lapolimerización se <strong>de</strong>jó actuar durante 24 h a<strong>un</strong>a temperatura promedio <strong>de</strong> 3 °C. Al díasiguiente, el precipitado PANI se recogió en <strong>un</strong>papel filtro y fue lavado con agua <strong>de</strong>stilada.Posteriormente, la parte sólida se volvió adispersar en 100 ml <strong>de</strong> agua <strong>de</strong>stilada ycolocada en el agitador <strong>de</strong> ultrasonido durante10 min. Esta solución <strong>de</strong> PANI se mantuvo en<strong>un</strong>a botella <strong>de</strong> vidrio completamente cerradahasta ser utilizada nuevamente.Preparación <strong>de</strong> los electrodos. La formación<strong>de</strong>l electrodo <strong>de</strong> referencia <strong>de</strong> Ni/P sobre elcobre, se realizó mediante <strong>un</strong>a <strong>de</strong>posición pormétodo redox con voltaje controlado durante <strong>un</strong>tiempo <strong>de</strong> 15 minutos para obtener <strong>un</strong>a película<strong>de</strong> aproximadamente 4 μm <strong>de</strong> espesor. Loselectrodos metálicos <strong>de</strong> Cu se someten atratamiento <strong>de</strong> limpieza antes <strong>de</strong> cada uso. Eltratamiento se llevó a cabo mediante suexposición a <strong>un</strong>a solución <strong>de</strong> ácido nítrico paralimpiar rastros <strong>de</strong> pequeños contaminantes <strong>de</strong>lambiente. Una vez que se ha conseguido <strong>un</strong>aóptima limpieza, la formación <strong>de</strong> la película <strong>de</strong>polianilina se realizó mediante la «técnica <strong>de</strong>aerógrafo» (Ab<strong>de</strong>llah et al., 2010) aplicado con<strong>un</strong> rociado fino sobre el peine <strong>de</strong> cobre 5 mL <strong>de</strong>PANI obteniendo <strong>un</strong>a película <strong>de</strong> aproximadamente1.6 μm. Se tomaron imágenes en elmicroscopio electrónico <strong>de</strong> barrido (SEM por sussiglas en inglés) para asegurar la <strong>de</strong>posiciónhomogénea <strong>de</strong> la película (Figura 4).Espectroscopía <strong>de</strong> Impedancia Electroquímica(EIS por sus siglas en inglés). Lasintensida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> corriente fueron medidas con<strong>un</strong> potenciostato galvanostato SolatronElectrochemical 1287 y el software <strong>de</strong>investigación electroquímica Z-View y Z-Plotpara su control mediante <strong>un</strong> equipo <strong>de</strong> cómputo;se trabajó con <strong>un</strong> voltaje <strong>de</strong> 50 mV y <strong>un</strong> rango<strong>de</strong> frecuencia <strong>de</strong> 100 MHz a 0.1 Hz. Las medidaselectroquímicas se llevaron a cabo utilizandotanto electrodo <strong>de</strong> trabajo y contralectrodo <strong>de</strong>cobre (Cu) y electrodo <strong>de</strong> referencia <strong>de</strong> Ni/P.Se utilizó argón (Ar) como gas inerte y po<strong>de</strong>rconocer las propieda<strong>de</strong>s iniciales <strong>de</strong>l sistema;posteriormente se expuso el dispositivo al flujo<strong>de</strong>l gas en el PANI variando la concentraciónentre 100, 50 y 25 % <strong>de</strong> <strong>un</strong> volumen total <strong>de</strong> 250ml, con <strong>un</strong>a temperatura constante <strong>de</strong> 40 °C.Figura 4. Imagen obtenida en microscopio <strong>de</strong> barrido <strong>de</strong> la<strong>de</strong>posición <strong>de</strong>l PANI sobre el sustrato <strong>de</strong> cobre.28• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •


LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: <strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>Resultados y discusiónAnálisis <strong>de</strong> PANI expuesto al N 2O. Comoresultado <strong>de</strong> la prueba <strong>de</strong> microscopíaelectrónica <strong>de</strong> barrido (Figura 5) se observa queel PANI <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> haber sido expuesto al N 2Oaumenta su contenido <strong>de</strong> nitrógeno (N) yoxígeno (O) como resultado <strong>de</strong> la composiciónquímica <strong>de</strong>l gas que adsorbió la película <strong>de</strong>PANI.Figura 5. Análisis EDS <strong>de</strong>l PANI antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> ser expuestoal N 2O.Al analizar los sitios específicos don<strong>de</strong> sepresentan cargas parciales positivas en laca<strong>de</strong>na <strong>de</strong>l <strong>polímero</strong>, se sabe que <strong>de</strong>bido alarrastre mecánico <strong>de</strong>l flujo <strong>de</strong>l óxido nitroso enconj<strong>un</strong>to con la resonancia <strong>de</strong> la molécula <strong>de</strong>PANI, se logra la sustitución <strong>de</strong> las moléculas<strong>de</strong> sulfonato estireno <strong>de</strong> sodio por moléculas<strong>de</strong> óxido nitroso; esta interacción es posible através <strong>de</strong> <strong>un</strong> enlace <strong>de</strong> hidrógeno, el cual estipo ión-dipolo inducido entre el átomo <strong>de</strong>nitrógeno <strong>de</strong> <strong>un</strong> enlace polar N–H (como suce<strong>de</strong>en la polianilina) y <strong>un</strong> átomo <strong>de</strong> alta electronegatividadcomo el oxígeno en el N 2O (Figura 7).Figura 7. Mecanismo <strong>de</strong> reacción ocurrido en la película <strong>de</strong>PANI expuesta al N 2O.Consi<strong>de</strong>rando que la molécula <strong>de</strong>l óxido <strong>de</strong>dinitrógeno presenta <strong>un</strong>a estructura don<strong>de</strong> <strong>un</strong>o<strong>de</strong> los átomos <strong>de</strong> nitrógeno aparece comoátomo central <strong>un</strong>ido al nitrógeno mediante <strong>un</strong>triple enlace (Figura 6), y por otro lado <strong>un</strong>ido aloxígeno a través <strong>de</strong> <strong>un</strong> enlace sencillo,po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>terminar el carácter iónico <strong>de</strong> cadaenlace haciendo <strong>un</strong> análisis <strong>de</strong> electronegativida<strong>de</strong>sy encontrando que entre los dosátomos <strong>de</strong> nitrógeno el enlace que se presentaes covalente puro, mientras que el enlace entreel nitrógeno central y el oxígeno es covalentepolar con <strong>un</strong>a diferencia <strong>de</strong> electronegativida<strong>de</strong>s<strong>de</strong> 0.5 (según la escala <strong>de</strong> Pauling); a partir <strong>de</strong>este valor, y <strong>de</strong>l conocimiento <strong>de</strong> que lageometría <strong>de</strong> la molécula es lineal, po<strong>de</strong>mosinferir que la molécula es polar.Figura 6. Estructuras <strong>de</strong> Lewis <strong>de</strong> la molécula <strong>de</strong> óxido nitroso.Figura 8. Gráfico Nyquist con diferentes concentraciones <strong>de</strong>N 2O sobre PANI.Mediciones <strong>de</strong> EIS. Los resultados <strong>de</strong> laspruebas <strong>de</strong> impedancia electroquímica (Figura8) <strong>de</strong>muestran que la resistencia <strong>de</strong>l PANI seve alterada por la presencia <strong>de</strong>l gas, así mismo,• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •29


LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: <strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>se observa que el aumento <strong>de</strong> la misma estárelacionado directamente con la concentración<strong>de</strong> gas suministrado a <strong>un</strong>a temperatura ypresión constante. Se han reportado cambiossemejantes en la resistencia <strong>de</strong> material cuandoéste ha sido expuesto a otros gases, como porejemplo el NO 2(Agbor et al., 1995) en don<strong>de</strong> laresistencia disminuye con respecto al aumento<strong>de</strong> la concentración <strong>de</strong>l gas.Elizal<strong>de</strong> et al. (2008) mencionan que cadaestado redox <strong>de</strong> la polianilina está asociado con<strong>un</strong>a estructura electrónica específica y que elproceso <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> diferentes moléculaspue<strong>de</strong> <strong>de</strong>tectarse por sus cambios en laresistencia y/o conductividad eléctricas, y que<strong>de</strong>bido a la alteración <strong>de</strong> la estructura química,resulta muy difícil para el PANI volver a su estadooriginal. Por su parte, Yan et al. (2006) señalanque si la interacción <strong>de</strong>l gas con el <strong>polímero</strong>produce únicamente <strong>un</strong>a adsorción y no <strong>un</strong>aabsorción, el enlace pue<strong>de</strong> ser disociado con elaumento <strong>de</strong> temperatura <strong>de</strong>l sistema. Deacuerdo con esta última afirmación, se <strong>de</strong>mostró<strong>de</strong> forma experimental la recuperación <strong>de</strong> laspropieda<strong>de</strong>s eléctricas <strong>de</strong>l dispositivo <strong>de</strong>spués<strong>de</strong> haber sido expuesto a altas temperaturas. LaFigura 9 muestra la reversibilidad <strong>de</strong>l proceso <strong>de</strong>adsorción por parte <strong>de</strong> la película <strong>de</strong> PANI<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> haber adsorbido las moléculas <strong>de</strong>N 2O y variar la temperatura <strong>de</strong>l sistema, lo quenos <strong>de</strong>muestra la posibilidad <strong>de</strong> utilizar eldispositivo en más <strong>de</strong> <strong>un</strong>a medición.Figura 9. Gráfico Nyquist concentraciones N 2O 100% a diferentestemperaturas.ConclusionesLa polianilina pue<strong>de</strong> ser utilizada como <strong>un</strong>sensor <strong>de</strong> gas basado en el cambio <strong>de</strong> suspropieda<strong>de</strong>s eléctricas; el PANI pue<strong>de</strong> sermanipulado eléctricamente y alterar así suscambios químico-resistivos ante la presencia<strong>de</strong> <strong>un</strong> agente externo. La adsorción que seprodujo por la interacción <strong>de</strong> ambos materialesrepresenta <strong>un</strong> cambio físico en la superficie <strong>de</strong>l<strong>polímero</strong>, y se obtuvo que este enlace pue<strong>de</strong>ser disociado con <strong>un</strong> aumento <strong>de</strong> temperatura,teniendo como resultado <strong>un</strong> dispositivo quepue<strong>de</strong> ser reutilizado <strong>de</strong> manera eficiente.Literatura CitadaAGBOR, N. E., and M. C. Petty. 1995. Polyaniline thin-films for gassensing,Sens. Actuators B: Chem. 28: 173-179ANDERSON, I. C., and J. S. Levine. 1986. «Relative Rates of NitricOxi<strong>de</strong> and Nitrous Oxi<strong>de</strong> Production by Nitrifiers, Denitrifiers,and Nitrate Respirers. Applied and EnvironmentalMicrobiology 51 (5) (May 1): 938–945.ABDELLAH, A., B. Fabel, P. Lugli, and G. Scarpa. 2010. SprayDeposition of Organic Semiconducting Thin-films: Towardsthe Fabrication of Arbitrary Shaped Organic ElectronicDevices. Organic Electronics 11 (6) (J<strong>un</strong>e): 1031–1038.BOND, A.M., S. Fletcher, F. Marken, S. J. Shaw, and P. G. Symons.1996. «Electrochemical and X-ray Diffraction Study of theRedox Cycling of Nanocrystals of 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane.Observation of a Solid–solid PhaseTransformation Controlled by Nucleation and Growth.» Journalof the Chemical Society, Faraday Transactions 92 (20)(January 1): 3925–3933.FATMANUR, K. F., A. Ayse Onen, N. Niyazi Bacak, and Y. Yagci.2002. Photoinitiated cationic polymerization using a novelphenacyl anilinium salt. Polymer: 2575-2579FREUND, M. S., A. Brajter-Toth, and M. D. Ward. 1990.Electrochemical and Quartz Crystal Microbalance Evi<strong>de</strong>ncefor Mediation and Direct Electrochemical Reactions of SmallMolecules at Tetrathiafulvalene-te. Journal of ElectroanalyticalChemistry and Interfacial Electrochemistry 289 (1–2) (August24): 127–141.HAYON, E., J. McGarvey. 1967. Flash photolysis in the vacuumultraviolet region of SO 42", CO 32and OH » ions in aqueoussolutions. J. Phys. Chem. 71:1472–1477JANATA, M. Josowicz, P. Vanysek, and D.M. DeVaney. 1998.Chemical Sensors. Analytical Chemistry pp. 70- 179.ELIZALDE-TORRES, J., H. Hu, A. Gua<strong>de</strong>rrama-Santana, A. García-Valenzuela and J.M. Saniger. 2008. Comparison of NO 2andNH 3gas adsorption on Semi<strong>conductor</strong> polyaniline Thin Films.Revista Mexicana <strong>de</strong> Física 54 (5): 358-36.NATTA, G., and G. 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LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: <strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>RICKERBY, D.G., and M. Morrison. 2007. «Nanotechnology and theEnvironment: A European Perspective.» Science andTechnology of Advanced Materials 8 (1–2) (January): 19–24.TOI, K., H. Takai, T. Shirakawa, T. Ito, and I. Ikemoto. 1989. Analysisof the Permeation of CO2 Through Glassy Polymers. Journalof Membrane Science 41 (0) (February 15): 37–47.YAN, X.B., Z.J. Han, Y. Yang, and B. K. Tay. 2006. NO 2gassensing with polyaniline nanofibers synthesized by a facileaqueous/organic interfacial polymerization Sens. ActuatorsB: Chem. 123: 107-113.Este artículo es citado así:Quiñones-Montenegro, L. Y., E. Herrera-Peraza y L. Ortega-Chávez. 2013: <strong>Fabricación</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>de</strong>tector <strong>de</strong>N 2 O a <strong>base</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>polímero</strong> <strong>conductor</strong>. TECNOCIENCIA Chihuahua 7(1): 25-31.Resúmenes curriculares <strong>de</strong> autor y coautoresLUISA YOLANDA QUIÑONES MONTENEGRO. Realizó estudios <strong>de</strong> licenciatura en el Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Chihuahua, obteniendo el título <strong>de</strong>Ingeniero Industrial en 2006. Obtuvo el grado <strong>de</strong> Maestría en Ciencia y Tecnología Ambiental por el Centro <strong>de</strong> Investigación enMateriales Avanzados (CIMAV) en 2009. Es estudiante <strong>de</strong>l programa Doctorado en Ciencia <strong>de</strong> los Materiales en el Centro <strong>de</strong>Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV). Ha tenido participación como ponente en diversos congresos nacionales einternacionales. Ha sido docente <strong>de</strong>l Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Chihuahua II a partir <strong>de</strong> 2008 a la fecha.LAURA ANTONIA ORTEGA CHÁVEZ. Realizó estudios <strong>de</strong> licenciatura en el Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Chihuahua, en el periodo <strong>de</strong> 1978 a 1982obteniendo el título <strong>de</strong> Ingeniero Industrial Químico. Obtuvo el grado <strong>de</strong> Maestría en Ingeniería en Sistemas <strong>de</strong> Control <strong>de</strong> ContaminaciónAmbiental en J<strong>un</strong>io <strong>de</strong> 1985 por el Instituto Tecnológico y <strong>de</strong> Estudios Superiores <strong>de</strong> Monterrey (campus Monterrey); y el Doctoradoen Ciencia y Tecnología Ambiental por el Centro <strong>de</strong> Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV) en 2009. Ha laborado en elSistema Nacional <strong>de</strong> Institutos Tecnológicos con la plaza <strong>de</strong> Profesor Titular C <strong>de</strong>s<strong>de</strong> septiembre <strong>de</strong> 1985, inicialmente en el InstitutoTecnológico <strong>de</strong> Pachuca y en la actualidad en el Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Chihuahua II. Su área <strong>de</strong> especialización es en Sistemas<strong>de</strong> Tratamiento <strong>de</strong> Aguas y en Energías Renovables. Es codirectora <strong>de</strong> <strong>un</strong>a tesis <strong>de</strong> Doctorado. Es autora <strong>de</strong> 7 artículos científicosen revistas internacionales, más <strong>de</strong> 7 ponencias en congresos y ha impartido conferencias por invitación. Ha dirigido 3 proyectos<strong>de</strong> investigación financiados por fuentes externas. Pertenece a la Sociedad Mexicana <strong>de</strong>l Hidrógeno y es árbitro <strong>de</strong> los trabajospresentados para el Congreso CIPITECH.EDUARDO HERRERA PERAZA. En 1996 obtuvo el grado <strong>de</strong> Doctor en Ciencias Físicas por la Universidad <strong>de</strong> La Habana, Cuba. Se<strong>de</strong>sempeña como Investigador Titular B en el Centro <strong>de</strong> Investigación en Materiales Avanzados, S.C. (CIMAV), en el área <strong>de</strong> MedioAmbiente y Energía. Su línea <strong>de</strong> investigación es sobre Contaminación Atmosférica. Pertenece al Sistema Nacional <strong>de</strong> Investigadores(SNI) Nivel I. Tiene diversas publicaciones en revistas arbitradas e indizadas a nivel nacional e internacional. Es miembro honorario<strong>de</strong>l Colegio <strong>de</strong> Ingenieros en Ecología. Imparte diversos cursos y ha participado como ponente en varios congresos a nivel nacional.• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •31

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