Aprovechamiento de Zea Mays L. (Maíz morado) para la síntesis de NP-Ag y carbón activado en el desarrollo de supercapacitores

Abstract

En esta investigación se propone la preparación de carbón activado (CA) para su empleo en electrodos de supercapacitores y nanopartículas de plata (NP), donde la coronta del fruto Zea mays L (maíz morado) sirve como material de partida y su extracto como agente reductor, respectivamente. El método consistió en evaluar las condiciones óptimas para la síntesis de las NP y del CA. Específicamente, en el caso de las NP, se establecieron como variables la concentración de agente precursor (AgNO3) y la relación v/v de agente precursor y agente reductor. Las NP se analizaron por medio de espectroscopía infrarroja por transformada de fourier (FTIR), se evidenciaron los picos de transmitancia de longitudes de onda para: grupo hidroxilo, carbonilo, alquenos, entre otras, presentes en el agente reductor (extracto etanólico y acuoso). Adicionalmente se caracterizaron las NPs por espectroscopía UV-Vis para evidenciar el plasmón superficial entre 400 – 430 nm. Por medio de la técnica de Dispersión dinámica de luz (DLS) se obtuvieron NP con diámetro entre 33.8 – 356.4 nm y por microscopía electrónica de barrido (SEM) se observó la forma esférica y la presencia de algunas NPs con un tamaño inferior a 50 nm. Finalmente, por difracción de rayos X (XRD) se obtuvieron los picos característicos correspondientes a los planos (111), (200), (220) y (311) de la estructura cúbica centrada en las caras de la plata metálica. Por otro lado, los CAs se sintetizaron a partir de la coronta del fruto Zea mays L. mediante activación química con KOH a diferentes concentraciones (5%, 10%, 20% y 30% p/v) obteniéndose carbones con diferentes porosidades que se caracterizaron por FTIR, RAMAN, SEM/EDS, análisis de fisisorción de N2 y electroquímicamente. Entre los diferentes CAs la mayor capacitancia se obtuvo del CA-10% a partir de voltamperometría cíclica (VC) en el electrolito de 1 mol L-1 H2SO4 fue de 179.43 Fg-1 y 1 mol L-1 KOH fue de 110.78 Fg-1, ambos a una velocidad de 5 mV s-1. Similarmente, para la misma muestra, por medio de cronopotenciometría (curvas de carga – descarga) se obtuvieron valores de hasta 195.25 F g-1 en 1 mol L-1 H2SO4 y 116 F g-1 en 1 mol L-1 KOH. Mediante espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), se determinó la resistencia interna de los carbones activados a altas frecuencias y su comportamiento capacitivo a bajas frecuencias, finalmente se observó la morfología de los diferentes macroporos (> 50 nm) de los CAs por FE-SEM/EDS.

In this research, the synthesis of activated carbon (AC) for supercapacitors and nanoparticles (NP) is proposed, where the corn cob of Zea mays L. acts as starting material and its extract as reducing agent, respectively. The method consists of evaluate the optimal conditions for the synthesis of NP and AC. Specifically, in the case of NP, the concentration of the precursor agent (AgNO3) and the v/v ratio of the precursor agent and the reducing agent were established as variables. The NP were analyzed by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the wavelength transmittance peaks for: hydroxyl, carbonyl, alkenes, among others, present in the reducing agent (ethanolic and aqueous extract) were evidenced. Additionally, the NP were characterized by UV-Vis spectroscopy to evidence the surface plasmon between 400 - 430 nm. By dynamic light scattering (DLS) technique, NP with diameters between 33.8 - 356.4 nm were obtained and by scanning electron microscopy (SEM) the spherical shape of the NP and the presence of some with a size smaller than 50 nm were observed. Finally, by X-ray diffraction (XRD) the characteristic peaks corresponding to the (111), (200), (220) and (311) planes of the cubic structure centered on the faces of the metallic silver were obtained. On the other hand, the AC were synthesized from the purple corn cob Zea mays L.) by activation in KOH at different concentrations (5%, 10%, 20% and 30% w/v), it was obtained carbons with different porosities that were characterized morphologically by SEM/EDS, Physisorption analysis of N2 and electrochemically. Among the different CAs, the highest capacitance was obtained from CA-10% from cyclic voltammetry (VC) in the electrolyte of 1 mol L-1 H2SO4 was 179,43 F g-1 and 1 mol L-1 KOH was 110,78 F g-1, both at a rate of 5 mV s-1. Likewise, for the same sample, by chronopotentiometry (charge-discharge curves) a maximum value of 195.25 Fg-1 at 1 mol L-1 H2SO4 and 116 Fg-1 at 1 mol L-1 KOH was obtained. By means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) the internal resistance of activated carbons at high frequencies and their capacitive behavior at low frequencies were determined. Finally, the morphology of the different macropores (> 50 nm) of the CAs was observed by FE-SEM/EDS.