Diseño de Nanocompositos de Grafeno para el Desarrollo de Membranas

Abstract

Con el propósito de mejorar las propiedades fisicoquímicas de las membranas de separación modernas, en este proyecto se aprovecharon las propiedades sinérgicas de nanocompositos de materiales bidimensionales (2D). La exfoliación de cristales en medio líquido para obtener materiales 2D tiene una gran ventaja en la facilidad del procesamiento. Aunque la cantidad del material 2D en forma de monocapa es limitada (Hernandez et al. 2008), las oligocapas obtenidas por este método conservan propiedades interesantes. Por ejemplo, estas oligocapas exhiben diversas propiedades beneficiosas como son la hidrofilicidad, hidrofobicidad, la alta resistencia mecánica, la microporosidad extrínseca y las propiedades de adsorción. Además, se ha demostrado que las mezclas de materiales 2D presentan estabilidad en agua como membranas (Xi et al. 2016). El Capítulo 1 está enfocado en reconocer las aplicaciones de los materiales 2D, proporcionar un contexto, identificar ambigüedades por la intersección de áreas del conocimiento y establecer la ruta a seguir para satisfacer los objetivos de la tesis. En el Capítulo 2, se estudió el grafeno de pocas capas (FLG) y el óxido de grafeno (GO) en la producción de membranas aplicadas en la filtración de moléculas y iones. Y en el Capítulo 3, el GO y grafeno exfoliado (Exf), proporcionado por Graphenemex, con un análisis de heteroestructuras VdW análogo al Capítulo 2, que demostró selectividades ventajosas con capacidad de separación, remoción o rechazo mayores a 80% y permeaciones mayores a 2500 LMH/bar. Mientras que el Capítulo 4 incluye una aplicación de muestras de GO con diferentes grupos funcionales con una molécula fluorescente, rodamina B (RhB), demostrando que el GO con menor envejecimiento y mayor cantidad de grupos funcionales C=C y C-O presentan las mejores condiciones de extinción y recuperación de fluorescencia (60% de recuperación). Los tres nanocompositos basados en grafeno de esta tesis fueron los siguientes: GO/FLG, GO/Exf, y GO/RhB, los cuales presentaron propiedades beneficiosas para su empleo en membranas y en sensores.

To improve physicochemical properties of modern membranes, in this work the synergic properties between 2D materials nanocomposites were applied. Crystal exfoliation in liquid media to synthesize 2D materials has a great advantage by the easiness of processing. Although 2D monolayers production is limited by this synthesis method (Hernandez et al. 2008), the oligolayers produced of 2D materials preserve properties such as hydrophilicity, hydrophobicity, high mechanical resistance, extrinsic micro porosity and adsorption. Even more, great stability control has been achieved by the mixtures of 2D materials, by making them dispersible resistant in water (Xi et al. 2016). Chapter 1 focuses on an extensive review of 2D materials applications, giving the context to the research, untie contradictory terms due to separate knowledge areas and to establish the route to achieve the goals of this theses. Membranes applications were addressed on Chapter 2, particularly employing graphene oxide (GO) and few layers graphene (FLG). And Chapter 3, GO and exfoliated graphene (Exf) provided by Graphenemex were employed as membranes building blocks. In both cases synergic properties gave selectivity over 80% and permeance over 2500 LMH/bar. While Chapter 4 included samples of GO with differences on their attached functional groups with the fluorescent molecule rhodamine B (RhB). Demonstrating that GO with less aging, more C=C, and more C-O functional groups resulted in the better quenching and fluorescence recovery (60% recovery) The three nanocomposites produced for this work were: GO/FLG, GO/Exf and GO/RhB showing excellent properties for membrane and sensor applications.