Películas de óxidos mixtos de Cobre y Tungsteno obtenidas por Sol-Gel: caracterización estructural y evaluadas como sensor de vapor

Abstract

En este trabajo se fabricó películas de óxido de tungsteno, con adición de Cu (II), mediante un proceso combinado de las técnicas de sol gel y rociado pirolítico. Para la obtención del gel isopolitúngstico se partió de una solución acuosa de tungstato de sodio di-hidratado, la cual se pasó por una resina de intercambio iónico fuertemente acida hasta obtener un pH aproximado de 1.1; para obtener el heteropolitungstato de cobre (II) se añadió al gel isopolitúngstico una solución acuosa de sulfato de cobre pentahidratado a diferentes concentraciones a fin de obtener las siguientes relaciones molares de Cu/W en el heteropolintungstato de cobre: 0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.10, 0.20, 0.30, 0.50, 0.70 y 1.00. Con cada una de estas concentraciones se procedió la fabricación de las películas. El parámetro más crítico para la obtención de las películas sobre el substrato de alúmina fue la temperatura. El valor óptimo que se determinó para la obtención de todas las películas en este trabajo fue de 220 °C. Las películas pulverizadas fueron sometidas inmediatamente después a un tratamiento térmico de tres horas a 600 ° C. Se utilizó la difracción de rayos-x para determinar la estructura cristalina de las películas. El patrón de difracción del óxido de tungsteno fabricado se encontró que corresponde a la fase monoclínica del WO3. A medida que se fue introduciendo Cu (II) al WO3 se observó la formación de una nueva fase, el CuWO4.x, la misma que se hizo evidente a partir de la relación molar 0.10 de Cu/W. Para una relación molar Cu/W de 1.00 se observó únicamente la presencia de la fase CuWO4.x. Utilizando un espectro fotómetro de reflectancia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) se determinó que las películas de WC*3 obtenidas directamente del proceso de pulverizado presentaban enlaces H-O indicando la presencia de agua; luego del tratamiento térmico a 600 °C se observó que las películas no presentaban grados de hidratación. Las medidas de FTIR mostraron que las películas de WO3 con Cu (II) presentan nuevos picos correspondientes a los enlaces Cu-O-W. Las películas se usaron como sensores de vapor de etanol y butano 1, notándose que la adición de Cu (II) al WO3 mejora la sensibilidad del sensor debido probablemente a un incremento de la rugosidad y eventualmente de la porosidad de las películas con el incremento de Cu, según se deduce de las micrografías obtenidas con el microscopio electrónico de barrido. La adición de Cu (II) permitió mejorar aproximadamente en 8 veces la sensibilidad al butanol respecto al WO3 cuando la relación molar del Cu/W fue de 0.10. Para el caso del etanol, la mayor sensibilidad se obtuvo para una relación molar Cu/W de 0.07. La habilidad de respuesta del sensor depende del balance de dos factores que compiten: uno favorable (incremento de las irregularidades morfológicas) y otro desfavorable (la formación de la fase CuWCU-x), de modo que aparentemente a partir de la relación molar Cu/W de 0.07 el factor de la presencia de la nueva fase CuWO4.x se hace importante.