SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE SÍLICE DOPADA CON

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2005; 25 (1): 3-14
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE SÍLICE DOPADA CON ÓXIDOS DE HIERRO POR
LA VÍA SOL-GEL
Sixto S. Serrano-López, Francisco Prieto-García*, Alberto J. Gordillo-Martínez
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Centro de Investigaciones Químicas, Carretera Pachuca-Tulancingo, km.
4,5. Ciudad Universitaria, C.P. 42076, Pachuca, Hidalgo, México
*E-mail: [email protected]
Revisado: 14-Jun-2006; Aceptado: 14-Sep-2006
Publicado On-Line el 19-Sep-2006
Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html
Resumen
La obtención de sílice dopada con óxidos de hierro por la vía sol-gel, en condiciones optimizadas de sus variables y la
caracterización de los sólidos obtenidos, han sido realizadas en este trabajo. Se tomaron como factores de control a
optimizar las condiciones de relaciones en concentraciones molares de los precursores de la síntesis, tetraetil ortosilano y
hierro (II), [TEOS]/[Fe2+], del pH del medio, temperatura y tiempo de reacción; se probaron adicionalmente tres niveles de
velocidad de agitación del sistema. Se buscó optimizar respuestas de mayores rendimientos o eficiencia, mayor
cristalinidad de los sólidos y mayor porcentaje de hierro dopado. Se obtuvo que los mejores resultados fueron en
condiciones de relación de concentraciones [TEOS]/[Fe2+] de 5, pH de 10, temperatura de 25ºC y tiempo de reacción de
2,5 horas. Por sus propiedades magnéticas y adsorbentes, estos sólidos podrán ser evaluados en futuros trabajos, para
posibles usos como materiales en evaluaciones y determinaciones de iones arseniatos en medios acuosos.
Palabras Claves: tetraetil ortosilano, hierro, sol-gel, sílice, dopaje
Abstract
The silica obtaining drugged with iron oxides by the route sun-gel, in optimized conditions of their variables and the
characterization of obtained solids, has been made in this work. The precursors of the synthesis, thetraethil orthosilane and
iron (II) were taken like control factors to optimize the conditions of relations in molars concentrations, [TEOS]/[Fe2+], of
pH of means, temperature and time of reaction; three levels of speed of agitation of the system were proven additionally.
One looked for to optimize answers of greater yields or efficiency, greater cristalinity of solids and greater percentage of
drugged iron. One obtained that the best results were in conditions of relation of concentrations [TEOS]/[Fe2+] of 5, pH of
10, temperature of 25ºC and time of reaction of 2,5 hours. By their magnetic and adsorbent properties, these solids could
be evaluated in future works, for possible uses like materials in evaluations and determinations of ions watery means
arsenates.
Keywords: Thetraethyl orthosilane, iron, sol-gel, silice, dopping
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años el descubrimiento de nuevas
técnicas para la obtención de una gran variedad de
materiales que tienen como base la formación de
óxidos ha sido de gran importancia, por ejemplo: la
co-precipitación, la formación de precursores, la
pirolisis, el liofilizado [1-4] y las técnicas sol-gel [56]; siendo esta última una de las más importantes, ya
que ofrece la posibilidad de que los compuestos
obtenidos sean de un tamaño controlado, e incluso
puedan ser producidos en diferentes formas como
fibras, placas o polvos con una gran pureza [6-7].
Por lo general, la formación de aerogeles comprende
dos pasos principales: la formación de un gel
0255-6952 ©2006 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)
húmedo y el secado del gel húmedo para formar un
aerogel.
En un principio, los geles húmedos se preparaban
mediante la condensación acuosa del silicato de
sodio o de un material similar. A pesar del buen
funcionamiento de este proceso, la reacción forma
sales dentro del gel que sólo se podían extraer
lavando el gel una y otra vez (procedimiento largo y
laborioso). Gracias al rápido desarrollo de la
química sol-gel durante las últimas décadas, la gran
mayoría de los aerogeles de sílice que se preparan
en la actualidad utilizan precursores de alcoxilo de
silicona. Los más utilizados son el tetrametil
ortosilano (TMOS: Si(OCH3)4 ) y el tetraetil
3
Serrano-López el al.
moles de agua por cada mol de TEOS. La ecuación
general puede ser representada por la ecuación 7. En
la práctica, esta cantidad de agua tiene como
consecuencia una reacción incompleta. La mayoría
de las fórmulas para preparar geles utiliza por tanto
un mayor porcentaje de agua (entre 4 y 30
equivalentes) [6,10].
ortosilano (TEOS: Si(OCH2CH3)4 ). Sin embargo, se
pueden utilizar muchos otros alcoxilos que
contengan varios grupos funcionales orgánicos para
que el gel adquiera propiedades diferentes.
Al hidrolizar TMOS en una solución de metanol se
produce un gel en sólo un paso (alcogel); con ello se
eliminan dos de los inconvenientes del método de
Kistler, el paso del intercambio de agua por alcohol
y la presencia de sales inorgánicas en el gel. Al
secar los alcogeles bajo condiciones supercríticas se
producen aerogeles de sílice de calidad óptima [8].
Los geles de sílice no son los únicos en ser
estudiados, ya que gracias a esta técnica se han
podido obtener compuestos de zirconio y titanio [911] que han sido utilizados principalmente en
catálisis. También se pueden mencionar los trabajos
realizados en vidrios obtenidos por la vía sol-gel y
dopados con hierro [12]. Además, en los últimos
años se han logrado sintetizar compuestos con
características magnéticas (ferritas) por medio de
esta técnica [13-16]. Sin embargo en estos trabajos
no se hace referencia a la importancia de controlar y
optimizar las variables que pueden afectar en este
proceso como pueden ser la relación [TEOS]/[Fe2+],
el pH, temperatura o la velocidad de agitación en el
sistema.
Se mezclan el precursor del alcohóxido, el Si(OR)4
donde R es generalmente etilo (TEOS), que es
catalizado por ácidos o bases, con el etanol y el
agua, posteriormente se realiza la condensación,
para la formación del enlace Si−O−Si. La forma en
que se realiza la reacción para la formación de un
gel de sílice a partir de TEOS se esquematiza por las
ecuaciones 1-6. La densidad final del gel depende
de la concentración de los monómeros de alcoxilo
de silicona que hay en la solución. Cabe destacar
que la estequiometría de la reacción precisa dos
HIDRÓLISIS CON CATÁLISIS ÁCIDA:
OR
RO
+
RO
Si
OR
+
+
HOH
OR
H
RO
Si
OR
OR
+
OR
H
RO
Si
OH + ROH + H
(1)
OR
CONDENSACIÓN CON CATÁLISIS ÁCIDA:
RO
Si
Rápido
+
(OH)3 + H
RO
Si
(OH)2
(2)
+
(OH)2
OH
OH
Lento
RO
Si
(OH)2 + RO
Si
(OH)3
RO
+
Si
OH
(OH)2
O
Si
(3)
OR
OH
HIDRÓLISIS CON CATÁLISIS BÁSICA:
OR
RO
Si
-
OR
RO
OR
-
HO
OR
Si
OR
-
OR
RO
RO
Si
OH +
-
RO
(4)
OR
HO
4
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
Síntesis y Caracterización de Silice Dopada con Óxidosde Hierro por la Vía Sol-Gel
CONDENSACIÓN CON CATÁLISIS BÁSICA:
RO
Si
-
Rápido
(OH)3 + HO
RO
Si
O
OH
OH
RO
Si
O
(OH)2 + RO
Si
(OH)3
Lento
RO
Si
OH
(5)
(OH)2
O
Si
OH
Si(OCH2CH3)4 (líquido) + 2 H2O = SiO2 (sólido) + 4 HOCH2CH3 (líquido)
Las propiedades adsorbentes de la sílica gel han sido
de gran utilidad para la separación y cuantificación
de compuestos en diferentes áreas de la química,
mediante el uso de columnas empacadas de amplio
uso en sistemas de cromatografía. Sin embargo, no
se conocen columnas que presenten tanto las
propiedades que otorga la sílica gel como los
compuestos magnéticos que aportarían los
oxihidróxidos de hierro ocluidos. Esto abre la
posibilidad de que productos de sílica gel dopada
con óxidos de hierro con propiedades magnéticas,
puedan ser aplicados en un futuro para la separación
y cuantificación de compuestos presentes en la
sangre [15,19-20] por medio de columnas de
cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC)
empacadas con sílica-gel dopada con ferritas o
goethita, entre otros óxidos de hierro.
Por otra parte, es conocido que los contenidos de As
en medios acuosos como son las aguas potables de
Zimapán, Estado de Hidalgo o en la Cuenca o
Región Lagunera, en México, se encuentra en
estado de oxidación +5 en forma de HAsO42- o
H2AsO4- [17-18] y están por encima de las
concentraciones máximas establecidas por la
normatividad.
El objetivo general del presente trabajo ha sido por
tanto, la obtención de sílice dopada con óxidos de
hierro por la vía sol-gel, caracterizar los sólidos
obtenidos para que en posteriores trabajos sean
estudiados por sus propiedades y posibles usos
como
materiales
para
evaluaciones
y
determinaciones de iones HAsO42- o H2AsO4- en
medios acuosos, entre otros. Para ello se trabajó en
optimizar el proceso de síntesis, con el fin de
conseguir sólidos con propiedades magnéticas y
adsorbentes, con porosidad adecuada. La
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
OR
(6)
(7)
optimización se llevó a cabo bajo condiciones de un
diseño experimental mediante parámetros de
Taguchi. Esta metodología es de gran aplicación, ya
que permite optimizar los distintos factores que
inciden en los procesos con una mínima cantidad de
experimentación. A diferencia de otros tipos de
diseños experimentales, éste busca optimizar las
respuestas del sistema a pesar de la variación
incontrolada producida por los factores de ruido. El
análisis y tratamiento estadístico de los datos
experimentales que se obtienen, permitirá evaluar la
influencia de los factores sobre el valor medio de la
respuesta y a la vez evalúa como afectan los factores
al valor medio y a la variación entorno a dicho valor
medio. Se realiza un Análisis de Varianza
(ANOVA) que además nos dará el porcentaje de
contribución de cada uno de los factores a la
variación total y la variación debida al error
residual [21].
2. PARTE EXPERIMENTAL
Para la síntesis de sílice dopada con óxidos de
hierro, se realizó un proceso combinado de las
síntesis de ferritas por vía hidroquímica y de la
síntesis de silicagel, según se puede observar en el
esquema de la Figura 1.
Mediante un diseño de experimentos de
optimización en base a parámetros de Taguchi [21],
se utilizaron como factores de control: relación de
[TEOS]/[Fe2+] (variable A), pH (variable B),
temperatura (variable C) y tiempo de reacción
(variable D) y se realizó a tres niveles de variación;
se utilizó un arreglo ortogonal del tipo L9(34) y la
matriz del diseño experimental se muestra en la
tablas 1 y 2.
5
Serrano-López el al.
lograr pH en intervalos de 8-10) para la
precipitación del ión ferroso y la condensación del
alcohóxido metálico; por último para producir la
oxidación de Fe2+ a Fe3+ se proporcionó al sistema
una corriente de aire.
Durante la síntesis se agregó el TEOS a goteo
dejándose la reacción hasta la formación del gel [2123] y adicionando el medio de etanol. Todos los
reactivos utilizados fueron de marca MERCK. Los
sólidos obtenidos fueron separados de la fase líquida
por centrifugación, lavados y secados a 100°C
durante 3 horas en atmósfera de aire.
aire
aire
Figura 1. Esquema para el desarrollo de la síntesis de
silicagel dopada con óxidos de hierro
El reactor utilizado fue de vidrio, de 600 ml de
capacidad, termostatizado. Una tapa con cuatro
orificios, permitió introducir un agitador con una
varilla de vidrio con paleta en forma de hélice, un
tubo fino para el paso de la corriente de aire, la
adición de reactivos y un sensor de temperatura
(Figura 2). El desarrollo de la síntesis se llevó a
cabo disolviendo en una mínima cantidad de agua
FeCl2.2H2O en cantidades necesarias para lograr la
relación de concentraciones molares (M) de
tetraetóxido de silicio y hierro (II) [TEOS]/[Fe2+] en
el intervalo de 3-7, la reacción se desarrolló en
medio alcohólico de etanol. El medio básico se
consiguió por adición de NH4OH concentrado (para
Reactivos
Sensor de
temperatura y pH
Paleta en forma de
hélice
Figura 2. Esquema del reactor de síntesis utilizado.
Tabla 1. Factores de control y niveles considerados para el diseño experimental
Factores
[TEOS]/[Fe2+]
Niveles
pH
Temperatura, T
[ºC]
[hr]
Variable A
Variable B
Variable C
Variable D
1
3
8,0
25
1,0
2
5
9,0
60
2,5
3
7
10,0
80
5,0
[M]
6
Tiempo, t
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
Síntesis y Caracterización de Silice Dopada con Óxidosde Hierro por la Vía Sol-Gel
Tabla 2. Matriz del diseño experimental
Factores
Velocidad de Agitación rpm
[TEOS] / [Fe2+]
pH
T [ºC]
t [hr]
(A)
(B)
(C)
(D)
1
3
8
25
2
3
9
3
3
4
N° Exp
1
2
3
1,0
300
600
800
60
2,5
300
600
800
10
80
5,0
300
600
800
5
8
60
1,0
300
600
800
5
5
9
80
5,0
300
600
800
6
5
10
25
2,5
300
600
800
7
7
8
80
5,0
300
600
800
8
7
9
25
1,0
300
600
800
9
7
10
60
2,5
300
600
800
Los sólidos ya secos fueron caracterizados mediante
difracción de rayos X (DRX) en polvos en pastillas
de KBr, para identificar las fases cristalinas
presentes; se empleó un difractómetro de rayos X
PHILIPS, modelo PW-1710-BASED, con fuente de
radiación CuKα, λ = 0,15406 nm, filtro de níquel,
portamuestra de Aluminio, tensión del generador y
corriente de 40 KV y 30 mA, respectivamente, con
barridos de ángulos (2θ) de 5 a 70°; para evaluar y
obtener los valores relativos de cristalinidad se
evaluó el mayor conteo de cada señal y se tomaron
como índice relativo de máxima cristalinidad
alcanzada en cada muestra por cada espectro de
DRX, para ello se trabajó con las mismas cantidades
pesadas de sólido en la preparación de las pastillas
de KBr.
Mediante microscopía electrónica de barrido (MEB)
se visualizó la morfología de los sólidos y se utilizó
un microscopio electrónico de barrido JEOL,
modelo JSM-820, para el análisis cualitativo y para
la evaluación del incremento de la concentración de
los cationes incorporados a la estructura cristalina,
se usó un sistema de microanálisis LINK QX-2000
y el programa Analizer X-Ray. Todos los espectros
se realizaron a 20 kV, a la misma distancia de
trabajo (Wd = 39 mm) y con el mismo número de
cuentas (aproximadamente 2500) y aumentos de
X350.
Se
caracterizaron
las
muestras
mediante
espectroscopia infrarroja por transformada de
Fourier (FTIR), utilizando un espectrofotómetro
PERKIN ELMER, modelo IRDM, las muestras
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
secas se prepararon en forma de tabletas de KBr en
una relación 1:100 (en masa). Se utilizó además,
espectroscopia de absorción atómica (EAA) para
cuantificar la cantidad de óxidos de hierro presente
en
el
sólido
obtenido,
empleando
un
espectrofotómetro de absorción atómica PERKIN
ELMER, modelo ANALYST 100, con llama
acetileno-aire, flujo de aire de 0,8-1,1 L/min y flujo
de acetileno de 0,8 a 1,2 L/min. Se utilizó un
analizador de distribución y tamaño de partículas
por difracción de rayos Láser de la BECKMAN
COULTER, modelo LS 13320, trabajándose con
dispersión en agua, los sólidos sintetizados.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la optimización del proceso de síntesis de la
sílice dopada con hierro, se evaluaron tres señales
de respuesta: la eficiencia de la síntesis en % masa,
la cristalinidad que puedan tener los sólidos y el
porcentaje de hierro incorporado en la sílice. El
diseño de experimentos de la optimización en base a
parámetros de Taguchi, utilizando los factores de
control mencionados, permitió utilizar un arreglo
ortogonal del tipo L9(34), lo que significó la
realización de 9 corridas experimentales; que
utilizando como factor de ruido la velocidad de
agitación, aplicada a tres niveles, dio como
resultado una matriz de 27 respuestas por cada señal
a optimizar.
7
Serrano-López el al.
temperatura favorece la formación del precipitado
[4,9], en tanto que un pH de 10 igualmente favorece
la formación de oxihidróxidos de hierro [21].
3.1 Porcentaje de Eficiencia
Para el mayor porcentaje de eficiencia en la síntesis
(variaciones señal/ruido, mayor es mejor) se obtuvo:
Variable A: Relación en concentración [TEOS] /
[Fe2+] de 5, Variable B: pH de 10, Variable C:
temperatura de 80ºC y Variable D: tiempo de
reacción de 5 horas. Para cualquier nivel de Ruido
(Velocidad de agitación).
3.2 Cristalinidad de los Sólidos
La señal de respuesta de cristalinidad de los sólidos
obtenida por DRX se muestran en la Figura 4 y
estos fueron: (Variable A) relación [TEOS]/[Fe2+]
de 3, (Variable B) pH de 10, (Variable C)
temperatura de reacción de 60°C y (Variable D) un
tiempo de reacción de 1 hora (variaciones
señal/ruido, mayor es mejor).
De manera gráfica se observan estos resultados en la
Figura 3 (los niveles por variables son A2, B3, C3,
D3) y la línea continua indica la tendencia de
valores medios de contribución de la varianza. De
acuerdo a estos resultados podemos observar que los
factores y niveles evaluados para máxima eficiencia
de la síntesis, no mostraron un efecto significativo,
sólo el pH y la temperatura (variables B y C,
respectivamente) presentaron la mayor incidencia.
Esto resulta lógico dado que el aumento de
De nueva cuenta el valor del pH en 10 favorece
mayor cristalinidad, aportada por las fases
mayoritarias de goethita y cuarzita principalmente,
que se forman en mayores cantidades para estos
valores (A1, B3, C2, D1).
%DEEFICIENCIA
Varianza
22
20
18
16
14
12
10
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
D1 D2 D3
Variables
Figura 3. Análisis de Varianza con modelo de arreglo ortogonal L9(34), para la optimización del porcentaje de eficiencia
en la obtención de sólidos.
CRISTALINIDAD
Varianza
550
500
450
400
350
300
250
200
d1
A1
B3
B1
A2
C3
A2
A3
d2
C1
B2
A3
A1
C2
d3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
d1
d2 d3
Variables
Figura 4. Análisis de Varianza con modelo de arreglo ortogonal L9(34), para la optimización de la cristalinidad de los
sólidos obtenidos.
8
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
Síntesis y Caracterización de Silice Dopada con Óxidosde Hierro por la Vía Sol-Gel
712
712. 25
C
(a)
612
612. 25
512
512. 25
C
G
412
412. 25
312
312. 25
G
212
212. 25
G
112
112. 25
10
10
18
18
26
34
26
42
34
50
42
58
50
58
150
(b)
SiO2 Amorfo
[counts]
100
50
0
5
10
15
20
25
30
35
Figura 5. Espectro de difracción de rayos X de muestras de sílice dopada con hierro. (a) Cristalinidad óptima.
Condiciones de las variables (A1, B3, C2, D1), G: Goethita y C: Cuarzita; (b) Sin cristalinidad. Condiciones de las
variables (A3, B2, C1, D3).
Los resultados para una cristalinidad óptima
muestran las señales de óxidos de hierro en su forma
goethita ortorrómbica y de óxidos de silicio en su
forma cuarzita hexagonal, G y C respectivamente,
en la Figura 5(a), a diferencia del amorfo
predominante mostrado en la Figura 5(b) en
condiciones no óptimas, donde no se distinguen bien
las
fases
cristalinas
antes
mencionadas,
predominando la fase amorfa de sílice.
3.3 Porcentaje de Hierro Incorporado
En la evaluación de los porcentajes de hierro
incorporado por inclusión de la fase goethita a los
sólidos, los resultados obtenidos del análisis de
varianza se muestran en la Figura 6. Se obtuvo
relación
en
concentración
(Variable
A)
[TEOS]/[Fe2+] 7, (Variable B) pH de 8, (Variable C)
temperatura de 25ºC y (Variable D) tiempo de
reacción de 2,5 horas (sin mayores diferencias
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
significativas en este último). Para esta respuesta
podemos observar que sólo el factor de control que
más incide en la respuesta es la temperatura siendo
la óptima a 25ºC. (A3, B1, C1, D2). Es claro que el
nivel de menor pH favorece mejor la oclusión del
hierro a la estructura de gel los sólidos ya que
valores mayores favorecen la precipitación rápida de
los oxihidróxidos de manera independiente; en este
sentido debe señalarse que este aspecto no aparece
reportado en las bibliografías.
Con todos estos resultados se realizó la combinación
de factores de control de cada señal para obtener una
única respuesta que recogiera los mejores niveles de
cada variable para una señal combinada donde se
logra el mejor porcentaje de eficiencia, una buena
cristalinidad y un alto nivel de hierro incorporado a
los sólidos.
9
Serrano-López el al.
%HIERRO
Varianza
550
500
450
400
350
300
250
200
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
D1
D2
D3
Variables
Figura 6. Análisis de Varianza con modelo de arreglo ortogonal L9(34), para la optimización del porcentaje de hierro
incorporado a los sólidos obtenidos.
3.4 Análisis estadístico
Después de realizar los correspondientes
experimentos se analizaron nuevamente las señales
de las mejores respuestas mediante un Análisis de
Varianza (ANOVA) de dos vías, evaluando la
diferencia entre muestras y condiciones de síntesis.
Las respuestas para la eficiencia, cristalinidad y
hierro incorporado indicaron que no hay diferencias
significativas entre muestras y sí entre condiciones
de síntesis. Las condiciones en las que se obtuvo la
menor diferencia significativa como conclusión de
optimización de las variables de control, fueron:
relación de concentraciones [TEOS]/[Fe2+] es de 5,
pH de 10, temperatura de 25ºC y tiempo de reacción
de 2,5 (A2, B3, C1, D2). Bajo estas condiciones se
realizó un corrida experimental confirmatoria en los
tres niveles de ruido (Velocidad de agitación: 300,
600 y 800 rpm) y se verificaron los resultados
obtenidos y se compararon con los experimentos
individuales del diseño. Se corroboró la mayor
eficiencia o rendimiento de sólidos (60,5% m/m),
una buena cristalinidad y un porcentaje aceptable de
hierro incorporado al sólido (4,2% m/m).
3.5 Análisis por Espectroscopia Infrarroja y
Microscopía Electrónica de Barrido,
Distribución y Tamaños de Partículas
El espectro de infrarrojo FTIR (Figura 7) de los
sólidos del experimento confirmatorio muestra una
banda extendida de 3400 a 3200 cm-1 atribuible a la
10
vibración de grupos hidroxilo, otra vibración es la
de las bandas en una intensidad media de 1638 cm-1
que corresponde a vibraciones de tensión de los
grupos Si−OH y Fe−OH, la intensidad media de
1400 cm-1 representa vibraciones de los enlaces de
C−H o grupos etóxidos acoplados a Si, la banda
extendida a 1090 cm-1 es asignada a las vibraciones
de enlaces Si−O−Si y la banda a 800 cm-1 para
enlaces de Fe−OH y Si−OH, así mismo se observa
una vibración a 460 cm-1 para los enlaces de
Fe−O [24].
Por su parte, los resultados de MEB presentan
estructuras de granos no definidos en los sólidos
obtenidos bajo condiciones no optimizadas,
características de los óxidos de silicio. Así mismo se
observan dos tipos de partículas, unas de formas
más granulares (G) y la otra de tipo comprimida en
agregados (A) (Figura 8), que demuestran la
heterogeneidad de las partículas de los sólidos no
optimizados. En la microfotografía de la Figura 9 se
observan los sólidos obtenidos ya en condiciones
optimizadas,
apreciándose
una
mayor
homogeneidad en los gránulos y la mayor
cristalinidad, tal y como se evidencia en el
difractograma de la Figura 5(a), aunque se pueden
observar también dos fases: granular (G) y cristalina
(C). En la Figura 10 se observa el mapeo de hierro
presente en los sólidos dopados; se distingue que en
la Figura 10(a) no es del todo homogénea la
distribución como se evidencia en la Figura 10(b).
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
Síntesis y Caracterización de Silice Dopada con Óxidosde Hierro por la Vía Sol-Gel
1638
795
460
616
1405
3232.9
1090
Figura 7. Espectro de FTIR. Bandas características de los sólidos de sílica gel con hierro incorporado
(A)
(G)
Figura 8. Microfotografía de MEB de la sílice dopada con óxido de hierro en condiciones no optimizadas, donde se
aprecian sólidos de elevada heterogeneidad. Escala X6000. (A) Agregados, (G) Formas granulares.
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
11
Serrano-López el al.
G
C
Figura 9. Microfotografía de MEB de los sólidos obtenidos bajos condiciones optimizadas: (G) Fases granulares y (C)
Fases cristalinas, se observan bordes y aristas. Escalas: X3000 (izquierda) y X4500 (derecha).
(a)
(b)
Figura 10. Microfotografía de mapeo de hierro en los sólidos obtenidos. Análisis cualitativo y evaluación del incremento
de la concentración de hierro incorporado. Sistema de microanálisis LINK QX-2000, programa Analizer X-Ray. (a)
Condiciones no optimizadas; (b) Condiciones optimizadas.
En la Figura 11 se puede apreciar la distribución y
tamaños de partículas bajo condiciones no
optimizadas (Figura 11(a)) y la de los experimentos
confirmatorios del proceso optimizado (Figura
11(b)). Se observa que el tamaño de partícula
promedio es entre 7 y 8 micras, pero bajo
condiciones no óptimas se evidencia una mayor
heterogeneidad en la distribución de partículas por
tamaños. Se puede observar en la gráfica A
partículas de tamaños superiores a 50 micras que
12
pueden ser entendidas como agregados de partículas
no necesariamente cristalinas.
Las ventajas que ofrece el proceso optimizado de
esta síntesis son, el lograr tener control de la
heterogeneidad y de esta forma conseguir sólidos de
mejor homogeneidad, obtención de gránulos más
finos, menor porosidad y la mejor cristalinidad, así
como poder trabajar a temperatura ambiente, entre
otros aspectos. El desarrollo de esta síntesis en fase
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2005; 25 (1): 3-14
Síntesis y Caracterización de Silice Dopada con Óxidosde Hierro por la Vía Sol-Gel
(a)
(b)
Figura 11. Figura de distribución y tamaños de partículas. En la gráfica A (no optimizado) se observa que existe
heterogeneidad en la distribución y tamaños en tanto en la gráfica B (optimizado) se aprecia la mayor homogeneidad en la
distribución de tamaños.
líquida así como el uso de especies en estado líquido
permite lograr una mezcla más íntima propiciando
una distribución homogénea de ellas y una
combinación única de sus propiedades.
4. CONCLUSIONES
Se ha podido obtener mediante síntesis optimizada,
sólidos de sílice con óxidos de hierro incorporado,
por la vía sol-gel, las variables que se tomaron como
factores de control a optimizar fueron la relación en
concentraciones molares de los precursores de la
síntesis, tetraetil ortosilano y hierro (II),
[TEOS]/[Fe2+], el pH del medio, temperatura y
tiempo de reacción. Se optimizaron como factores
de respuestas, los mayores rendimientos o eficiencia
de las síntesis, la mayor cristalinidad de los sólidos
y el mayor porcentaje de hierro incorporado a los
sólidos. Los mejores resultados fueron en
condiciones de relación de concentraciones
[TEOS]/[Fe2+] de 5, pH de 10, temperatura de 25ºC
y tiempo de reacción de 2,5 horas. Los rendimientos
alcanzados fueron del 60,5% (m/m) y 4,2% (m/m)
de hierro incorporado la los sólidos de sílicagel.
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