Nanoestructuras plasmónicas core-shell basadas en nanocilindros de oro recubiertos de silice mesoporosa.

En este Trabajo Fin de Grado se ha llevado a cabo un estudio experimental y un estudio bibliográfico sobre síntesis de nanoestructuras plasmónicas con un núcleo de oro y recubiertas de una capa de sílice mesoporosa, para su aplicación en espectroscopía Raman-SERS (espectroscopía Raman amplificada en superficie).En primer lugar, se han realizado dos síntesis diferentes de nanocilindros de oro para estudiar su incidencia sobre la estabilidad y reproducibilidad de las nanoestructuras obtenidas. La principal diferencia entre ellas reside en la etapa de reducción de Au (III) a Au (I). En una de ellas se lleva a cabo una etapa de pre-reducción mediante ácido 5-bromosalicílico (9,1 mM); mientras que en la otra se utiliza ácido clorhídrico (18,36 mM) que provoca la reducción del oro de manera inmediata. La morfología (relación de aspecto) y dimensiones de los nanocilindros obtenidos se han caracterizado mediante espectroscopia de absorción UV-Vis y microscopía electrónica de transmisión (TEM). En segundo lugar, se han propuesto las condiciones de síntesis de la cubierta de sílice alrededor de los nanocilindros metálicos con un espesor determinado a partir de resultados publicados en la literatura. El parámetro a controlar propuesto es la relación molar Si/Au del medio de reacción en que se añade la disolución de nanocilindros de oro y TEOS (ortosilicato de tetraetilo) como precursor de sílice. Además, se presentan y discuten los resultados experimentales obtenidos en el primer intento de síntesis de nanoestructuras plasmónicas core-shell.En tercer y último lugar, se ha realizado un estudio bibliográfico sobre la eliminación del surfactante para la liberación de la estructura porosa de la sílice mediante extracción con solventes. Esta etapa es crucial en la síntesis de las nanoestructuras plasmónicas core-shell basadas en nanocilindros de oro recubiertas de sílice mesoporosa. En particular, se ha de evitar la alteración del núcleo metálico, sinterización del nanocilindro por elevadas temperaturas o disolución del mismo en medio ácido; y además conseguir la mayor porosidad posible para mejorar las propiedades de adsorción de los nanocilindros de oro y por tanto su respuesta en detección mediante Raman-SERS.<br /

Desarrollo de membranas híbridas para su uso en PEMFCs

El objetivo general de este trabajo fin de máster ha sido el estudio de un nuevo material compuesto y multifuncional resultado de la combinación sinérgica de zeolitas y polímeros para su uso en PEMFCs de alta temperatura. Se han preparado membranas densas híbridas polímero-zeolita mediante proceso de casting seguido de un tratamiento de dopado con ácido fosfórico. Se eligió como polímero el polibencimidazol debido a que puede trabajar a altas temperaturas (> 120 ºC) y mantiene sus excelentes propiedades en entornos reductores y oxidantes; y se utilizaron diferentes tipos de zeolitas funcionalizadas como material inorgánico para dar estabilidad térmica e hidrofilicidad a la membrana. Inicialmente, se sintetizaron dos tipos zeolitas: ETS-10 y Na-MOR. Se obtuvieron materiales con diferente tamaño de cristal. Las zeolitas fueron caracterizadas mediante XRD, FTIR, TGA, SEM, BET, XPS y se evaluaron las propiedades eléctricas. Posteriormente, las zeolitas fueron funcionalizadas con diferentes grupos funcionales (amino, sulfónico, epoxy e imidazol) para atribuirles propiedades como, mayor conductividad o mayor afinidad por el polímero, con el fin de mejorar la interfase polímero-zeolita presente en la membrana híbrida. Estos materiales se caracterizaron por FTIR, TGA y XPS y se midió la conductividad en función de la temperatura. Por último se prepararon membranas puras y membranas híbridas con el fin de estudiar varios parámetros en la conductividad de las membranas con respecto al PBI puro. Las variables fueron: • Tamaño de cristal • Funcionalización de las zeolitas • Carga inorgánica • Procedimiento de dopado • Tipo de zeolita Se evaluó la conductividad de todas las membranas y las más prometedoras se caracterizaron por TGA, SEM y se les midió la permeación al metanol

Síntesis y caracterización de nanoestructuras plasmónicas core-shell basadas en SiO2 mesoporosa y Au

En este Trabajo Fin de Grado se han preparado nanoestructuras plasmónicas core-shell SiO2-Au con propiedades de adsorción adecuadas para la determinación de agentes neurotóxicos en fase gas mediante espectroscopía Raman-SERS. En primer lugar se realiza la síntesis de nanopartículas de sílice mesoporosa, en concreto de MCM48, y de semillas y nanopartículas de Au. En segundo lugar, se lleva a cabo el anclaje mediante interacciones electrostáticas de las semillas o nanopartículas de Au sobre la sílice. En esta etapa se incluye la funcionalización de las nanopartículas de SiO2 con grupos amino. La estrategia básica de preparación de nanoestructuras plasmónicas core-shell SiO2-Au implica una etapa de siembra de SiO2 con semillas de Au, y posteriormente el recrecimiento de las semillas de Au para mejorar sus propiedades plasmónicas. Estas reacciones se realizan en lotes o batchs. Las nanopartículas y las nanoestructuras preparadas se han caracterizado mediante: microscopía electrónica de transmisión (TEM), espectroscopía de absorción UV-Vis, espectroscopía de absorción en el IR (FTIR), espectroscopía de correlación de fotonesmediantedispersión de luz electroforética (DLS) y fisisorción de N2. Posteriormente las nanopartículas plasmónicas se depositan mediante la técnica de spin-coating sobre la superficie de micro-preconcentradores fabricados en sala blanca mediante litografía óptica. El recubrimiento obtenido, variable en función del número de ciclos, se ha evaluado mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). El efecto SERS de los sustratos obtenidos se ha cuantificado utilizando rodamina 6G como molécula modelo. Finalmente los preconcentradores preparados han sido estudiados en adsorción de vapores de un simulante de Gas Sarín a concentraciones de interés. De la comparación con resultados previos obtenidos en el grupo de investigación, se concluye que los micro-preconcentradores preparados con nanoestructuras plasmónicas core-shell SiO2-Au no solo mantienen sus propiedades de adsorción de agentes neurotóxicos en fase gas; sino que además, presentan una actividad SERS adecuada para ser estudiados con más profundidad como detectores SERS

Gas detection of different polarity molecules by capacitive sensors based on zeolites

Este trabajo fin de máster se enmarca dentro de una línea de investigación que pretende el desarrollo de microsistemas con capas/recubrimientos zeolíticos como elemento diferenciador para su uso en detección de especies gaseosas. Más concretamente, se ha desarrollado un sensor basado en un efecto capacitivo/resistivo y utilizando como elemento sensible, materiales zeolíticos, concretamente zeolitas de estructuras LTA y MFI. Dichos materiales se han sintetizado y caracterizado mediante SEM y XRD en el laboratorio e incorporado dentro de los sensores fabricados dentro de sala blanca. Estos sensores se han caracterizado para conocer el comportamiento eléctrico de los mismos y poder medirlos y utilizarlos posteriormente en mezclas reales de gases. Para ello, se han estudiado los diagramas de Nyquist y Bode para las distintas situaciones, sensores sin material sensible y con material depositado y cada uno de ellos a distintas temperaturas. Esta caracterización nos ha llevado a trasvasar esta información hacia nuevos sensores basados en el mismo principio. Esta vez, en lugar de depositar el material sensible en el transductor se propone dibujar el transductor encima del material sensible. Con ello hemos obtenido nanosensores de cristales individuales de zeolita y los hemos caracterizado del mismo modo. Para la caracterización final de los sensores se ha puesto a punto una planta experimental de caracterización por mezclas gaseosas. Los rprometedores resultados se han analizado siguiendo los parámetros estándar de este tipo de sensores

Desarrollo de membranas híbridas, densas y porosas, con materiales microporosos inorgánicos, para PEM de alta temperatura y aplicaciones catalíticas

INTRODUCCIÓN El mercado energético en la actualidad demanda fuentes de energía fiables, de bajo coste, y con bajo impacto ambiental. El desarrollo de sistemas de conversión de energía más eficientes, viables económicamente y no contaminantes es una necesidad cada vez más acuciante y, también, uno de los grandes retos tecnológicos a los que se enfrenta la humanidad en el siglo XXI. Las pilas de combustible producen más energía con menor cantidad de combustible que los motores térmicos convencionales. En este contexto, se prevee que los sistemas de pilas de combustible jueguen un papel decisivo y contribuyan de forma efectiva a satisfacer la necesidad urgente de nuevos sistemas de conversión de energía. Por ello, se ha dedicado un importante esfuerzo investigador al campo de las pilas de combustible que se centra fundamentalmente, en la fabricación a un menor coste y en la disminución de tamaño y peso para su uso en aplicaciones portátiles y de transporte. El gran interés y espectacular crecimiento que han experimentado en las tres últimas décadas las actividades de investigación e industriales encaminadas al desarrollo y comercialización de sistemas de pilas de combustible son el resultado de las múltiples ventajas que estos sistemas presentan frente a las fuentes de energía en uso hoy en día. Las pilas de combustible de intercambio de protones se encuentran en una situación muy favorable para ser introducidas en el mercado en un futuro próximo. Así queda reflejado en la hoja de ruta establecida por la Plataforma Europea del Hidrógeno y Pilas de Combustible [1] para cumplir con los objetivos del 2050 marcados en la Agenda Estratégica Europea en Política Energética [2] de: reducción de gases de efecto invernadero en un 20%, aumento del consumo de energías renovables en un 20% y mejora de la eficiencia energética en un 20%. Para el 2015 está prevista la instalación de más de 1 GW de potencia mediante PEMFC, SOFC y MCFC en aplicaciones de generación de potencia y generación combinada de potencia y calor para uso residencial e industrial; con especial énfasis en aplicaciones de PEM para viviendas y edificios mayores (colegios, hospitales¿) También se contempla la producción de cerca de 20.000 unidades de pilas PEM para aplicaciones portátiles. Las principales barreras a superar para la implantación masiva de PEMFCs en el mercado de generación de electricidad son el alto coste de los materiales necesarios para una operación eficiente, fiable, duradera y competitiva. En concreto, el coste tanto del material como del proceso de fabricación, debe ser inferior al correspondiente a las membranas poliméricas actuales (1400 €/m2 [3]). Además, la conductividad iónica debe ser mejorada y no debe disminuir en exceso con la temperatura. Como electrolito polimérico en pilas de combustible de metanol directo se utilizan normalmente membranas basadas en ácido perfluorosulfónico (PFSA) como son las de Nafion® (DuPont), DOW (Dow Chemical) y Flemion (Asahi Glass). Además de su elevado precio, los inconvenientes principales para su uso son la deformación de la membrana debido a la deshidratación y la difusión del metanol a través de la membrana, lo que conlleva a una pérdida de la eficacia farádica de un 20 % en condiciones prácticas de operación de la pila ya que se produce una depolarización del cátodo por el paso de ese metanol. Así pues, las membranas de PFSA disminuyen su conductividad iónica 10 veces al elevar la temperatura de 60 a 80 ºC [4]. Debido a que deben permanecer hidratadas para mantener la conductividad iónica, la operación en la pila no puede realizarse a temperaturas por encima del punto de ebullición del agua. De esta forma, algunos autores proponen un aumento de la temperatura de operación pero utilizando vapor presurizado para alcanzar temperaturas de hasta 120 ºC a expensas de una drástica disminución de la vida útil de la membrana. Sin embargo, para dar un salto cualitativo en el uso de esta tecnología, es primordial el desarrollo de nuevos materiales capaces de trabajar a temperaturas superiores a 100 ºC en una PEMFC de alta temperatura [5]. De esta forma, es posible aumentar notablemente el rendimiento eléctrico del sistema al aumentar la cinética de las reacciones redox (posibilitando la reducción de la carga catalítica) y mejorar la transferencia de materia en la interfase electrodo-electrolito al trabajar en ausencia de agua líquida. Además, se simplifica la gestión del agua en la pila, se evita la necesidad de humidificar los gases y se facilita un aprovechamiento eficiente del calor generado. Otra característica diferenciadora con respecto a las PEMFCs convencionales es la versatilidad de los combustibles permitidos en cuanto a naturaleza y pureza facilitando la integración a vías renovables ya que la desactivación del ánodo por CO se reduce notoriamente con la temperatura de reacción y se mejora la utilización del electrocatalizador. Si bien la investigación en membranas de alta temperatura es responsable del 90% de los trabajos publicados en este campo, el estado de desarrollo actual de membranas para operar a alta temperatura, presión atmosférica y bajos niveles de humidificación es poco satisfactorio. Las estrategias utilizadas son muy diversas, destacando las membranas alternativas basadas en polímeros PFSA reforzados [6], en polímeros aromáticos sulfonados (SPEEK), en polímeros ácido-base [7] y en materiales compuestos orgánicos e inorgánicos. En particular, la modificación de polímeros conductores tipo PFSA y SPEEK con cargas inorgánicas del tipo óxidos de silicio, titanio y zirconio, así como zeolitas; todos ellos materiales altamente hidrofílicos y embebidas en matrices poliméricas ha sido ampliamente estudiada [8-13]. Dichas membranas presentan una mejora en la conductividad iónica gracias al mantenimiento de la humedad de la membrana junto con la posibilidad de incrementar la temperatura de operación debido a la mejora en la resistencia térmica asociada a la carga inorgánica [14]. El empleo de membranas poliméricas ácido-base basadas en Polibencimidazol (PBI) es una de las estrategias más investigadas para cumplir con los requisitos exigidos tal y como se pone de manifiesto en una revisiones recientemente publicadas [15-17]. De hecho existen MEAs, comercializadas actualmente por BASF [18], anteriormente era la compañía PEMEAS GmbH, basadas en este polímero (Celtec-1100) dopado con ácido fosfórico para las que el fabricante garantiza una vida media superior a 14.000 h a 160 ºC con H2 y aire a presión atmosférica. El coste de PBI es relativamente bajo (150-220 €/Kg), presenta una excelente estabilidad en entornos reductores y oxidantes y una temperatura de transición vítrea en torno a los 425-435 ºC. Al tratarse de un polímero básico (pKa ¿ 6,0) capta ácidos con facilidad, lo que ayuda a su estabilización [19] y le dota de propiedades conductoras. Es decir, el PBI necesita un aditivo que se comporte como ácido para poder activar la conducción protónica; y el ácido fosfórico y sus derivados han sido los que mejores resultados han permitido [17, 20]. En esta línea, los avances publicados hasta la fecha se han centrado en la preparación de membranas de PBI densas dopadas con ácido fosfórico que incorporan sólidos inorgánicos [21-24] y en la incorporación de líquidos iónicos [25] o conductores en membranas porosas para mejorar la durabilidad a temperaturas elevadas manteniendo sus prestaciones. Por otro lado, las zeolitas y zeotipos son materiales nanoestructurados de naturaleza inorgánica cristalinos e hidratados, cuyas aplicaciones están aumentando de manera vertiginosa durante las dos últimas décadas. Las zeolitas y zeotipos presentan propiedades especiales como la hidrofilicidad, de tamizado molecular, alta estabilidad química y térmica, elevada superficie específica y adsorción selectiva o actividad catalíticas. Estas propiedades junto con, su estructura porosa y su composición química, las hacen muy interesantes para la encapsulación de moléculas dentro de sus poros o su modificación superficial. De este modo es posible modular y mejorar propiedades ad-hoc, en nuestro caso, la conductividad iónica o la funcionalidad en superficie para anclar con otros materiales y poder generar capas zeolíticas sobre diferentes sustratos. En este ámbito, se han publicado trabajos [26-28] en los que se han encapsulado líquidos iónicos en diferentes materiales microporosos para aplicaciones catalíticas. Por otro lado, múltiples materiales estructurados como MCM-41 o zeolita BEA han sido funcionalizadas [29, 30] con diferentes objetivos. Por lo tanto, en este trabajo se plantean varios objetivos, todos ellos bajo el denominador común del uso de membranas poliméricas para su uso en pilas de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) de alta temperatura y aplicaciones catalíticas. Se han realizado estudios básicos sobre la modificación del polímero PBI mediante la inclusión de materiales inorgánicos, así como su porosificación. Además, se han establecido las directrices para la preparación de MEAs integradas (membrane-electrode-assembly, corazón de la pila de combustible) incorporando recubrimientos zeolíticos con actividad electrocatalítica y para la generación de microsistemas basados en sustratos poliméricos microestucturados y zeolitas. DESARROLLO El objeto de este trabajo es obtener una membrana polimérica que pueda operar en una pila de combustible de electrolito polimérico de alta temperatura. Para ello se dispone de materiales poliméricos como PBI o SU-8, materiales inorgánicos como zeolitas y zeotipos, además de conductores protónicos como son los líquidos iónicos o el ácido fosfórico. En este contexto, la combinación sinérgica y estructurada de estos materiales puede potenciar las propiedades individuales de cada uno de ellos consiguiendo un membrana compuesta que tenga mejores prestaciones que el material polimérico por sí solo. A lo largo de este trabajo se pueden diferenciar tres bloques: (i) Preparación y modificación de materiales zeolíticos; (ii) Preparación de membranas poliméricas con diferentes configuraciones y; (iii) Combinación de materiales zeolíticos, poliméricos y líquidos conductores. Las propiedades particulares de los materiales zeolíticos, como la hidrofilicidad y la estabilidad térmica hacen que sean idóneos como fillers en membranas poliméricas para su uso en pilas de combustible. Además, las zeolitas poseen la capacidad de albergar moléculas en su estructura porosa, de modificar su composición superficial mediante la funcionalización con organosilanos o de ser activadas catalíticamente mediante metales nobles. Se han desarrollado procedimientos de encapsulación de líquidos iónicos en zeolitas de poros grande para aumentar la conductividad intrínseca de las propias zeolitas, de forma que cuando sean incluidas en la membrana polimérica aumente la conductividad a través de las nuevas vías de conducción. Las zeolitas se han funcionalizado externamente para mejorar la interfase polímero-zeolita cuando son incluidas en la matriz polimérica o la formación de capas zeolíticas cuando se incorporan en una etapa posterior a la preparación de la membrana. La funcionalización con nuevos grupos funcionales hace que las zeolitas sean capaces de reaccionar con los grupos de las cadenas poliméricas, además de poder potenciar, también nuevos caminos de conducción. Además, una de las características diferenciadoras de las zeolitas frente a otros materiales microporosos es su actividad catalítica ligada a la relación Si/Al y al catión de compensación. Las zeolitas pueden ser activadas con metales nobles mediante los procedimientos clásicos de intercambio iónico o mediante la activación externa. En el marco de esta tesis, el objetivo de esta activación ha sido su uso como electrocatalizador de la pila de combustible. Se han preparado membranas poliméricas con diferentes configuraciones: densas y porosas. Con el fin de mejorar las propiedades de conducción y la estabilidad térmica de las membranas densas, se han preparado membranas híbridas dopadas a partir de las zeolitas con líquidos iónicos encapsulados y con los materiales funcionalizados mediante el método de casting. Por otro lado, con el fin de incrementar los niveles de dopado en las membranas poliméricas se han desarrollado procedimientos de porosificación de las membranas de PBI con diferentes configuraciones de poro (aleatorios o rectos), conectividad, tamaño y porosidad global. Se ha procedido al uso de técnicas como el uso de un porosificador o del método de la fase inversa para obtener disposiciones de poro aleatorios, y técnicas de microfabricación, como el ¿microtransfer moulding¿ y el ¿track etched ion¿ para obtener distribuciones de poro recto. Se ha hecho un estudio sistemático de la conductividad en función de la porosidad y tipo de poro, además de los diferentes procedimientos de incorporación de los conductores protónicos (ácido fosfórico y líquidos iónicos). La posibilidad de funcionalización de las zeolitas abre la puerta a la formación de capas zeolíticas sobre sustratos poliméricos como el PBI. La formación de capas a ambos lados de la membrana conductora de protones simula los electrodos que se incorporan en la MEA. Por ello, se han llevado a cabo tratamientos de activación catalítica de zeolitas para uso como electrocatalizadores y un amplio estudio de las diferentes formas de formación de capas zeolíticas sobre sustratos poliméricos, hasta ahora mayoritariamente centrado en soportes rígidos inorgánicos. Las técnicas de caracterización que se han utilizado de forma habitual han sido la Espectroscopía de Impedancia Compleja (EIC) para medir la conductividad, Espectrocopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR), Análisis Termogravimétrico (TGA) o Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Los criterios de mayor peso para identificar los materiales y configuraciones más adecuados han sido las medidas de conductividad y la durabilidad a alta temperatura, así como la procesabilidad. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos de este trabajo se resumen en las siguientes líneas: - Se ha preparado una cantidad importante de materiales inorgánicos con diversas propiedades. Los tratamientos llevados a cabo han sido principalmente la funcionalización con organosilanos, la encapsulación de líquidos iónicos y la activación catalítica. - Se han preparado principalmente membranas híbridas basadas en PBI tanto densas como porosas por diversos procedimientos: adición de porógeno, fase inversa, micromoldeo (microtransfer moulding) y bombardeo iónico (track etching). Las diferentes arquitecturas de poro han incluido desde poros aleatorios del orden de micras hasta poros rectos del orden de nanómetros con porosidades del 0,7 % al 85 %. Todas ellas han sido caracterizadas morfológicamente, físicamente y en términos de conductividad y permeabilidad. - La membranas híbridas densas fueron preparadas con diferentes cantidades de carga inorgánica siendo la óptima en la mayoría de los casos de un 3 % wt. La membrana óptima con filler funcionalizado fue para los grupos fenil-sulfónicos por los nuevos caminos de conducción debido a la deslocalización electrónica del anillo y a las nuevas interacciones con la estructura del PBI, y con el ácido fosfórico. La membrana con LI3/NaY ofrece caminos de conducción adicionales que implican interacciones entre el ácido fosfórico y el líquido iónico lixiviado y expuesto en la superficie externa de los cristales embebidos en el polímero, agilizando el transporte protónico como se ha demostrado en la operación en pila. Ambas membranas híbridas presentan buenas propiedades para su uso en HTPEMs. - Las membranas porosas y porosas híbridas fueron sometidas a un proceso de dopado y/o inmovilización de líquido iónico en sus poros para estudiar el efecto promotor sobre la conductividad protónica. - La posibilidad de trabajar con SU8, para la preparación de membranas de PBI con poros rectos mediante ¿microtransfer moulding¿, abrió este trabajo a nuevas aplicaciones donde los procedimientos de modificación superficial ya desarrollados era perfectamente extrapolables para la preparación de chips de microfluídica, combinados con las estrategias de preparación de recubrimientos zeolíticos, y de anclaje de proteínas para crecimiento celular. - Gracias a estos estudios se han desarrollado membranas basada en PBI novedosas, como la MEA integrada, y totalmente desconocidas hasta la fecha, como la de microrreactor polimérico para reacciones sólido-gas catalíticas

Micropatterned substrate modified with hydrophic coating for dewatering applications

Este trabajo fin de máster se enmarca dentro de una línea de investigación que pretende el desarrollo de microsistemas con capas/recubrimientos zeolíticos como elemento diferenciador. Para tal fin es necesaria la integración de la etapa de síntesis y crecimiento de las capas policristalinas de zeolita en los esquemas clásicos de microfabricación. Más concretamente, en este trabajo se proponen micro-trampas// micro-preconcentradores de agua para corrientes gaseosas. Estos dispositivos cobran especial importancia en los sistemas de análisis químico donde el acondicionamiento de la muestra gaseosa mejora la cuantificación/detección. Para tal fin se han propuesto dos vías de estudio, ambas sobre materiales microporosos hidrofílicos, que difieren en la naturaleza del soporte microestructurado: silicio y fotoresina SU8. Por una parte se va a estudiar la síntesis y caracterización de capas policristalinas de zeolitas hidrofílicas de tipo A (estructura LTA) a escala de oblea con capa fina de SiO de tres pulgadas de diámetro. Por lo tanto va a ser necesaria una optimización de los procesos de siembra previa a la etapa de crecimiento secundario y posterior eliminación del agente estructurante para conseguir recubrimientos homogéneos y con buena adhesión a un soporte con las dimensiones típicamente usadas en los procesos actuales de sala blanca. Mediante técnicas de caracterización morfológica y estructural (SEM-EDX, XRD) se definirán las condiciones de síntesis más adecuadas para cada estructura zeolítica. En paralelo, se van a definir los diseños de las máscaras (con relación de aspecto: longitud de canal/dimensión característica del canal variable) para el grabado en superficie de las microestructuras sobre obleas de Si. Los soportes microestructurados de Si serán sometidos a los procesos optimizados de crecimiento secundario para conseguir un recubrimiento homógeneo y una carga de adsorbente adecuada a la aplicación que se persigue

Desarrollo de preconcentradores microfabricados en silicio para la mejora en la detección de explosivos

El progreso desarrollado en las últimas décadas en el campo de sensores de gases ha sido realmente destacable, dando lugar a dispositivos cada vez más sensibles, eficientes, fiables y con límites de detección cada vez menores. Sin embargo, en condiciones altamente demandantes; como por ejemplo en la detección de explosivos y otros agentes químicos relacionados con la seguridad ciudadana, existe la necesidad de detectar estos compuestos a nivel de trazas, y para alcanzar esta exigencia, se plantea el acondicionamiento y preconcentración de la muestra. En este contexto, el proyecto tiene por objeto el desarrollo de micro-preconcentadores basados en silicio con una capa de zeolita integrada, con el objetivo de mejorar la respuesta de sensores másicos de gases tipo microcantilevers. El proyecto aborda el estudio experimental de la eficiencia de preconcentración de distintos preconcentradores: microconcentrador con zeolita integrada, microconcentrador de zeolita rellenado exsitu y concentrador de lecho empaquetado. Se ha utilizado el hexano como molécula modelo para determinar las condiciones de operación más adecuadas de entre las estudiadas (caudales y temperaturas de adsorción-desorción), así como para evaluar la reproducibilidad en la fabricación y la repetitividad del proceso. En función de los resultados obtenidos en los preconcentradores se ha seleccionado el más destacado para un análisis detallado por medio de sensores másicos basados en microcantilevers. La realización de los ensayos en laboratorio de los distintos prototipos de micro-preconcentradores se ha llevado a cabo en una instalación experimental montada ad hoc para este TFG. Los ensayos han permitido la obtención de las curvas de ruptura y la estimación del factor de concentración para los distintos preconcentradores. Se ha obtenido que para el mejor microconcentrador con zeolita integrada y en las condiciones de trabajo óptimas el factor de preconcentración de una corriente de hexano de concentración 500 ppmV ha sido de 61,6, con una eficiencia de adsorción del 91,6%. Al comparar estos resultados con los mostrados por el concentrador de lecho fijo cargado con la misma masa de adsorbente, en donde se obtuvo un factor de preconcentración de 28,5 con un 55% de eficacia de adsorción, se pone en valor la idoneidad de la utilización de este tipo de microdispositivos preconcentradores como método para mejorar la sensibilidad de los sensores actuales en la detección de trazas

Purification of recovered helium with low level of impurities: evaluation of two different methods

Helium gas coming from low temperature experimental systems is recovered to avoid losses of this scarce gas on Earth. Once this helium gas has been recovered and before its liquefaction, the impurities contained should be removed. It is possible to achieve a low level of impurities by using the proper materials and procedures on the road to helium recovery. A comparison of two different methods applied for the purification of recovered helium with low level of impurities is reported in this paper. One method is the use of liquid nitrogen traps and the other one is the application of a purification system based on getter materials. The cleaning efficiency has been probed experimentally for both methods through the analysis of the purified He gas. The evaluation covers the life time between regenerations, the everyday care as well as the long term, the energy consumption, the initial investment besides the cost of maintenance of both methods

Síntesis y caracterización de capas zeolíticas a nivel de oblea para su incorporación en procesos de microfabricación. Desarrollo de micromembranas de MFI para separación de mezclas H2/CO2

Este proyecto se enmarca dentro de una línea de investigación que desarrolla microsistemas con capas/recubrimientos zeolíticos como elemento activo. Para tal fin es necesaria la integración de la etapa de síntesis y crecimiento de las capas policristalinas de zeolita en los esquemas clásicos de microfabricación basados en tecnologías de silicio. Más concretamente, este trabajo aborda en primer lugar la síntesis y caracterización de capas de materiales zeolíticos porosos (silicalita (estructura MFI), de zeolita tipo A (estructura LTA) y de zeolita tipo Y (estructura FAU)) sobre soportes basados en silicio. Con este objeto, va a ser necesaria una optimización de los procesos de siembra y un estudio detallado de la etapa de crecimiento secundario y la posterior eliminación del agente estructurante para conseguir recubrimientos homogéneos y con una buena adhesión al soporte de dimensiones típicas utilizadas en los procesos actuales de sala blanca. Mediante técnicas de caracterización morfológica y estructural (SEM-EDX, XRD) se definirán las condiciones de síntesis más adecuadas para cada estructura zeolítica. Teniendo en cuenta estos resultados, en un segundo lugar se definirán los procesos de microfabricación para la obtención de diferentes microestructuras. En particular, se pretende llevar a cabo la microfabricación de micromembranas de zeolita con distintas orientaciones cristalográficas para su posterior utilización en una aplicación concreta, separación de mezclas de hidrógeno y dióxido de carbono. Se compararán los resultados obtenidos en términos de permeación y factor de separación con los publicados en la literatura. Otra aplicación que aquí se plantea es la obtención de microtrampas o micropreconcentradores y sensores de humedad de tipo capacitivo mediante procesos de litografía y grabado húmedo. A esta escala se pueden llegar a conseguir elevadas relaciones superficie/volumen imprescindibles dentro de estos campos

Catalizadores basados en arcillas pilareadas para combustión catalítica de COVs en reactor de lecho fijo

La problemática asociada a las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COVs), a la atmósfera corrientes gaseosas contaminadas con COVha motivado el desarrollo de tecnologías eficentes para su control. En este proyecto se estudia la combustión catalíca, y en particular, se ha profundizado en la síntesis y caracterización de catalizadores basados en óxidos metálicos (óxido de hierro y/o manganeso) soportados sobre arcillas naturales tipo montmorillonita. Como molécula modelo de COV se ha escogido el n-hexano ya que el grupo de investigación donde se ha desarrollado este trabajo posee amplia experiencia en la oxidación catalítica del mismo con distintas configuraciones de reactor y distintos catalizadores. Teniendo en cuenta su diámetro cinético (0,43nm)1 se ha modificado el espaciado entre las láminas de arcillas para que la molécula de reactivo pueda circular por los canales de las mismas y de esta forma asegurar un contacto íntimo con el óxido de hierro y/o manganeso disperso en este sistema de canale