Estudio de la conductividad de un material compuesto por cobre y óxido de grafeno reducido

Desde el descubrimiento de la corriente eléctrica, la principal aplicación del cobre es como conductor en todas aquellas aplicaciones relacionadas con ella, principalmente como componente eléctrico. En la actualidad, con el desarrollo de materiales metálicos, numerosos estudios científicos e industriales han llevado a crear diferentes tipos de aleaciones de cobre, con aplicaciones cada vez más amplias o altamente especializadas. En este desarrollo de materiales y tecnologías que mejoren la conductividad eléctrica para aplicaciones ha aparecido entre otros materiales el grafeno. El grafeno es una forma bidimensional del carbono consistente en átomos unidos entre sí por fuertes enlaces covalentes basados en la hibridación sp2 que forman una red hexagonal. El grafeno prístino está fundamentalmente compuesto por planos basales que le proporcionan una baja reactividad química. Sin embargo, como ocurre con los materiales grafíticos en general, es susceptible de sufrir reacciones de oxidación. Esto hace posible la obtención del óxido de grafeno. La diferencia fundamental entre grafeno y óxido de grafeno, además de la pureza, es la presencia de defectos y grupos funcionales. Si bien la presencia de estos defectos y grupos dan lugar a una pérdida de propiedades mecánicas del grafeno prístino, por otro lado la presencia de dichos grupos es beneficiosa, ya que puede mejorar su interacción interfacial con otros grupos o matrices de materiales compuestos. Desde el punto de vista de conductividad, la pérdida de aromaticidad como consecuencia de la introducción de estos grupos funcionales es la causante de su carácter de aislante eléctrico. No obstante, la conductividad eléctrica se puede recuperar mediante la restauración de enlaces Csp2, por lo que una de las reacciones más importantes en el proceso de preparación de grafeno es la reducción del óxido de grafeno. Los métodos de reducción de OG pueden clasificarse en dos grupos: métodos químicos y métodos térmicos. Los métodos de reducción química emplean agentes químicos, siendo el más habitual el monohidrato de hidracina (N2H4.H2O), tanto en medio acuoso como orgánico. Por otra parte, con el tratamiento térmico del óxido de grafeno en atmósferas inertes se consigue la liberación de los grupos funcionales en forma de CO, CO2 y H2O, aunque tiene el inconveniente de generar defectos en la red del grafeno. En base a las consideraciones anteriores, el principal objetivo de este trabajo ha sido elaborar un material compuesto cobre-óxido de grafeno reducido (Cu/OGr) con el fin de aumentar las propiedades eléctricas del Cu aprovechando la elevada conductividad eléctrica del grafeno. Para ello, se partió de polvos de cobre con tamaño de partícula menor de 63 micras y una solución acuosa de óxido de grafeno al 0.1 %. El diseño experimental llevado a cabo se basó en la mezcla de cantidades variables de 3, 5, 7 y 9 gramos de cobre en 20 ml de solución acuosa de óxido de grafeno. Cada una de las muestras obtenidas fue tratada con 15 ó 30 μL de hidracina en agitación durante 24 horas y tras retirada del sobrenadante se secaron en estufa. Parte de los polvos obtenidos después de secarse en la estufa fueron tratados térmicamente a 200 y 350ºC durante 1h y 30 min. La caracterización de los polvos de material compuesto obtenido Cu/OGr se llevó a cabo mediante las siguientes técnicas experimentales: espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, evaluación del potencial zeta, medidas de conductividad eléctrica y espectroscopía Raman. Mediante XPS se calculó la energía de ligadura y el porcentaje atómico de oxígeno y carbono y del oxígeno ligado al cobre y al carbono para mezclas de polvos del material compuesto Cu/OGr reducido con 15 y 30 μL de hidracina. En la muestra de polvos de material compuesto reducida con 30 μL de hidracina se obtiene una relación O/C inferior a la obtenida en la muestra con 15 μL, lo que demuestra que, a mayor cantidad de hidracina, la reducción del óxido de grafeno alcanzada es mayor. Comparando estos resultados con los de la bibliografía se puede ver que la reducción del óxido de grafeno en la mezcla del material compuesto no es tan efectiva como cuando sólo se realiza dicha reducción exclusivamente sobre óxido de grafeno. Las medidas del potencial zeta del óxido de grafeno mostraron un valor de – 44.1 mV, coincidente con el valor referido en la literatura, y un valor del potencial zeta de las partículas de cobre positivo de 6.7 mV. Teniendo en cuenta que el potencial zeta suministra información de la distribución de cargas sobre la superficie de las partículas en suspensión, la gran diferencia de valores de potencial nos indica que, en la unión de estos dos tipos de partículas en solución, las fuerzas de atracción juegan un papel importante en la formación de aglomerados del material compuesto de Cu/OGr. Mediante esta técnica se optimizó la obtención del material compuesto Cu/OGr en función de la cantidad de polvo de cobre añadido a las muestras (3, 5, 7 y 9 g) y en base a los distintos tratamientos de reducción llevados a cabo, químicos y térmicos (200º y 350ºC). Los resultados de potencial zeta de los ensayos muestran que la proporción óptima de cobre en el compuesto para la cantidad de OG utilizado estaría en torno a los 7 g. Los valores del potencial zeta para los polvos de material compuesto reducido con hidracina y sometido a un tratamiento térmico de 200ºC disminuyen a medida que aumenta la cantidad de Cu en el compuesto a excepción de la muestra de 9 g de Cu. Estos valores muestran que por un lado el procedimiento seguido para dar tratamiento térmico en atmósfera inerte a las muestras de polvo del compuesto no se encuentra completamente exento de oxígeno; ocurriendo dos efectos simultáneos, por un lado la oxidación de los polvos de cobre y por el otro la reducción del OG. Para las muestras tratadas a 350 º C los valores del potencial zeta son muy dispersos no mostrando ninguna tendencia característica en función de las diferentes variables que entran en juego en el procedimiento. Estas variables son las cantidades de Cu y la propia temperatura que de nuevo vuelve a aplicarse sin exención total de oxígeno. En cuanto a la conductividad eléctrica de los compuestos Cu/OGr las muestras que no han recibido tratamiento térmico son las que mayor conductividad eléctrica alcanzan llegando incluso en el caso del disco con 7 g Cu a superar la conductividad eléctrica del cobre puro. Esto es debido a que al añadir hidracina a las muestras se reduce el óxido de grafeno aumentando la conductividad eléctrica del compuesto. Por otro lado el tratamiento térmico disminuye la conductividad eléctrica del material compuesto en las muestras de 3, 5 y 7 g en comparación con las muestras homólogas con las mismas proporciones de Cu pero que no han recibido tratamiento térmico. Esta disminución es mayor cuanto mayor es la temperatura del tratamiento. En teoría mediante el tratamiento térmico los grupos funcionales del óxido de grafeno deberían desaparecer formando CO y/o CO2 y aumentando por tanto la conductividad eléctrica. Sin embargo esta situación no es la que obtenemos en los resultados, debido a que el tratamiento térmico no ha sido efectivo ya que no se encuentra exento de oxígeno. Esto da lugar a la formación de óxidos de cobre en las muestras lo cual explicaría el considerable descenso de la conductividad. Finalmente, en cuanto a los resultados de espectroscopía Raman de las muestras de material compuesto con 7 g de Cu, tanto en el espectro sin tratamiento térmico como en el de la zonas clara de la superficie del disco a 200ºC se ven claramente dos picos a 1310 y a 1580 cm-1 (aprox) que se ajustan a los picos D y G asociados al óxido de grafeno y al grafeno (1350 y 1600 cm-1). En el espectro sin tratamiento térmico estos picos aparecen con menor intensidad y por tanto esto implica un menor desorden en la red de este compuesto lo cual nos verifica que se ha conseguido una mayor reducción del óxido de grafeno, es decir, la estructura será más parecida a la del grafeno. El espectro a 350ºC y el de la zona oscura de la superficie a 200ºC muestran picos a bajas longitudes de onda (480 y 620 cm-1) que se atribuyen a la formación de óxidos de cobre y otros picos no identificados. En estos espectros no se encontró ningún pico referencia del OG lo que supone que el óxido de grafeno no solo no se ha reducido sino que ha podido reaccionar con oxígeno formando compuestos no definidos en este estudio. Las principales conclusiones de este trabajo han sido las siguientes: La obtención de polvos de compuesto Cu/OGr a partir de una solución de óxido de grafeno en partículas de cobre resulta efectiva ya que ambas sustancias aglomeran debido al signo opuesto de sus valores de potencial zeta respectivos que favorecen su unión. La hidracina es un buen agente reductor del óxido de grafeno, como se ha demostrado mediante XPS, y es tanto más efectiva cuánto mayor cantidad se utiliza. Sin embargo, se debería sustituir por otros reactivos menos tóxicos. La mejora de la conductividad en el material compuesto se ha obtenido reduciendo el óxido de grafeno por vía química en el material compuesto formado por 20 ml de OG y 7 g de Cu. Los tratamientos térmicos a 200 y 350ºC no han sido efectivos en la mejora de la conductividad del material compuesto Cu/OGr salvo para las muestras que presentaban un exceso de Cu. En cuanto a las perspectivas futuras de investigación, se propone optimizar el tratamiento térmico en atmósfera inerte. También se propone intentar la obtención del material compuesto Cu/OGr mediante vía seca, esto es, reducir por un lado los polvos de óxido de grafeno y compactarlos directamente con los polvos de Cu. Otra propuesta es la utilización de otros métodos reductores menos tóxicos, como la albúmina de suero bovino. Por último se propone la aplicación del método y caracterización a otros materiales metálicos, como el Al y el Ni