La técnica XPS revela la química superficial de los materiales híbridos de origen biológico
El análisis de superficies contribuye al desarrollo de materiales de origen biológico
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Unas pocas capas atómicas en la superficie pueden influir considerablemente en la eficacia con la que un material retiene los contaminantes del agua o en la eficiencia con la que un fotocatalizador responde a la luz. Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros (IAP) utilizan la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) para estudiar los estados químicos y las interacciones en las superficies e interfaces de materiales de carbono de origen biológico y materiales híbridos orgánico-inorgánicos. Sus hallazgos pueden contribuir al desarrollo específico de materiales funcionales para futuras aplicaciones industriales.
El Dr. Jiyong Kim utiliza la espectroscopia XPS para analizar la composición química de superficies de materiales complejos en el Fraunhofer IAP.
© Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties
Los materiales de origen biológico y los sistemas híbridos relacionados se están explorando para una amplia gama de aplicaciones, entre las que se incluyen el tratamiento del agua, los procesos catalíticos, los dispositivos electroquímicos y los recubrimientos funcionales. Estos materiales combinan materias primas naturales con materiales inorgánicos, a fin de aunar las propiedades de ambas clases de materiales.
La función, la reactividad y la estabilidad de los materiales híbridos de origen biológico pueden depender en gran medida de los entornos químicos presentes en sus superficies e interfaces. Sin embargo, muchos métodos analíticos convencionales solo ofrecen un acceso limitado a estos procesos. Para el desarrollo de materiales, esto significa que las causas de las diferencias de rendimiento, los efectos del envejecimiento o el comportamiento inesperado de los materiales suelen quedar sin aclarar.
Posos de café, cáscaras de naranja y superficies complejas: lo que revela el XPS sobre su química
En una serie de estudios conjuntos dirigidos por el grupo de investigación de Química de Materiales del profesor Andreas Taubert en la Universidad de Potsdam, se desarrollaron y evaluaron materiales híbridos y de carbono de origen biológico para aplicaciones de purificación de agua. El Fraunhofer IAP aportó una caracterización detallada mediante XPS, centrándose en la composición superficial, los estados químicos y las interacciones interfaciales. Los posos de café y las cáscaras de naranja sirvieron como materias primas renovables para producir biocarbón, que posteriormente se combinó con minerales arcillosos y óxidos metálicos.
La cuestión clave que abordaba el análisis XPS era cómo la formación de estos materiales híbridos de origen biológico y su combinación con componentes inorgánicos modificaban la química de sus superficies e interfaces. Para encontrar respuestas, el Dr. Jiyong Kim, experto en análisis de superficies del Fraunhofer IAP, investigó cómo el tratamiento térmico y la formación de híbridos alteraban la química superficial e interfacial de los materiales híbridos orgánico-inorgánicos mediante XPS. En este método, la superficie del material se irradia con rayos X y se mide la energía de los fotoelectrones emitidos.
«El XPS es como un escáner de superficie extremadamente preciso. Nos permite leer los primeros 1 a 10 nanómetros de un material como si fuera un mapa químico. Otra ventaja es que el análisis solo requiere una preparación mínima de la muestra y no es necesario disolver ni digerir químicamente el material», afirma Kim.
Biocarbón: ¿qué hace que su análisis sea tan complicado?
Los materiales derivados de materias primas naturales son químicamente mucho más complejos que los productos químicos de laboratorio convencionales. Durante el tratamiento térmico de la biomasa, como los posos de café o las cáscaras de naranja, por ejemplo, tienen lugar numerosas reacciones simultáneamente. Esto da lugar a materiales de carbono con una química superficial heterogénea y, en ocasiones, inesperada, que no puede describirse mediante una única estructura química. El XPS puede diferenciar estas superficies complejas y extraer conclusiones sobre cómo se formó un material y qué propiedades pueden ser relevantes para su aplicación posterior.
En el biocarbón derivado de posos de café, el XPS demostró que el tratamiento térmico reorganizó el carbono en la superficie. El resultado fue una estructura más rica en carbono, similar al grafito, que, no obstante, seguía siendo químicamente heterogénea y rica en sitios defectuosos. Estas propiedades superficiales pueden favorecer las interacciones con compuestos farmacéuticos, colorantes y otros contaminantes orgánicos, lo que las hace especialmente relevantes para los materiales utilizados en la depuración del agua.
«Una comprensión detallada de la química exacta de un material nos ayuda a comprender con gran precisión no solo la composición del material, sino también los cambios individuales que se producen en él una vez que se utiliza en una aplicación como la depuración del agua o en un dispositivo electroquímico. Estos cambios suelen ser cruciales, pero muy difíciles de detectar con otros métodos», explica Taubert.
El XPS ofrece información sobre la química en las interfaces orgánico-inorgánicas
En los materiales híbridos de origen biológico, los componentes orgánicos e inorgánicos están interconectados a escalas de longitud muy pequeñas. Lo que ocurre en sus interfaces puede tener una gran influencia en las propiedades del material que se desarrollan posteriormente.
«En el caso de los materiales híbridos, no basta con saber qué elementos están presentes. Lo que importa es cómo interactúan los componentes orgánicos e inorgánicos y si se forman nuevos entornos químicos en sus interfaces. El XPS nos permite hacer visibles estas interacciones», explica Kim.
En sistemas híbridos compuestos por biocarbón de cáscara de naranja, arcilla y dióxido de titanio, los análisis revelaron que los componentes orgánicos e inorgánicos forman enlaces químicos en sus interfaces durante el procesamiento térmico, en los que intervienen el titanio, el oxígeno, el carbono y el aluminio. En los fotocatalizadores modificados con nitrógeno, el XPS también ayudó a distinguir el nitrógeno incorporado en estructuras inorgánicas que contienen titanio de las especies orgánicas residuales que contienen nitrógeno. Estos materiales no solo pueden fijar contaminantes, sino también utilizar sus propiedades fotocatalíticas para descomponerlos con la ayuda de la luz.
El análisis de superficies respalda el desarrollo de materiales de origen biológico
Mediante el XPS, el Fraunhofer IAP ayuda a las empresas y a los socios de investigación a comprender de forma específica la compleja química superficial de los materiales de origen biológico y a identificar las causas de las diferencias de rendimiento. Esto puede incluir el análisis de las variaciones entre lotes, los procesos de envejecimiento, las modificaciones superficiales y las interacciones químicas con contaminantes y otras moléculas. Los conocimientos obtenidos pueden ayudar a orientar la optimización sistemática de las formulaciones de los materiales y los procesos de fabricación, y contribuir al desarrollo de materiales robustos y reproducibles para aplicaciones industriales. A medida que sigue creciendo el interés industrial por las materias primas renovables, estos hallazgos también ponen de relieve oportunidades para una mayor investigación colaborativa sobre materiales de carbono de origen biológico, catalizadores, recubrimientos, compuestos poliméricos y otros materiales con superficies e interfaces complejas.
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