Síntesis de películas de nanoalambres de óxido cúprico a partir de materiales de una mina mexicana

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RESUMEN

ABSTRACT

Direct obtaining of Cu(OH)2 nanowires from the mineral cuprite, for the low cost and nanometric scale preparation of thin films of Cu(OH)2 nanowires. Using atomic absorption spectroscopy, 5% copper was found in the mine ore used. Then CuCl2.2H2O was obtained by ultrasound at a temperature of 50°C for 15 minutes. The light blue homogeneous film was shown by XRD to be orthorhombic Cu(OH)2 and TEM indicated a morphology with a homogeneous distribution of nanowires of several micrometers in length and diameters ± 100 nm.

Keywords: Nanomaterials, mining, nanowires, cooper oxide, film.

México es un país con grandes fuentes de riqueza, tanto en términos de biodiversidad como de materia prima; entre los principales recursos se encuentran las tierras raras y los metales preciosos, como la plata (Ag) y el cobre (Cu), de los que ocupa, respectivamente, el primer y el séptimo lugar en producción en el mundo (Harp, 2020).

Aunque hay investigaciones sobre el uso del cobre (Cisternas, 2022), no son suficientes en el tema de la minería, sobre todo en nuestro país, donde es una gran industria que debería invertir más en ciencia, como la nanotecnología, por su gran número de aplicaciones: tratamiento de aguas residuales (Alka, 2021), aplicaciones de nanopartículas en biomedicina (Muhammad, 2021), uso de nanopartículas de cobre en terapias contra el cáncer (Tabrez, 2022), en electrónica, en catálisis heterogénea de alta eficiencia (Gawande, 2016), o en forma de sulfuros u óxidos en baterías de iones o como antifúngico y antimicrobiano (Gómez, 2017).

Pero no sólo las partículas, también las películas de óxido de cobre (Diachenko, 2021) o nanohojas con propiedades antimicrobacterianas (Iqbal, 2021), o los nanoalambres de CuO combinado con silicio para degradación fotovoltaica (Mahmoudi, 2021).

Existen pocos estudios de síntesis de algunas nanopartículas con material de mina, como el de agua residual de mina para obtener nanopartículas bimetálicas de FeCu (Dlamini, 2021) o la síntesis de nanopartículas partiendo residuos de mineral de minas (Pinto, 2020), pero no hay trabajos sobre la síntesis de nanoalambres de algún material o elemento, por lo que la presente investigación sería una aportación al tema de nanotecnología con la síntesis de este nanomaterial partiendo de mineral de mina, y para la minería al demostrar una nueva aplicación para sus materiales.

Además, al depositar películas con este material se abriría la aplicación para todo tipo de recubrimientos, tratando de reproducir alguna de las propiedades mencionadas anteriormente.

METODOLOGÍA

Para la obtención de sal de cobre CuCl2.2H2O a partir de la piedra de mina (figura 1), ésta se tritura hasta que sólo queden fragmentos de 1 cm de diámetro, después se pesan cinco gramos de polvos obtenidos, a los que se les añade una solución de 2.5 ml de ácido clorhídrico y 2.5 ml de agua desionizada. Esta solución es llevada a ultrasonido durante 30 minutos a una temperatura de 50°C y se almacena en tubos de ensayo por 24 horas. Posteriormente se lava la muestra en una centrífuga durante 5 min a 2 mil rpm. A la solución final se añaden 5 ml de etanol y, finalmente, se pone en el horno a 90°C por tres horas.

Figura 1. Mineral de mina de cobre.

El proceso de formación de la película consiste en colocar CuCl2.2H2O y NaOH, por separado, en recipientes con agua desionizada y agitarlos durante 20 minutos. Una vez terminado el proceso se vacían juntos y se mezclan por otros 20 minutos. Con el mezclado finalizado se colocan en un recipiente para su exposición al ultrasonido.

La mezcla se mantiene dentro de la máquina de ultrasonido a una temperatura de 50°C por 15 minutos. Para la formación de la película se utilizó una placa rotativa en la cual se depositó, mediante goteo, la solución final, esta película se dejó en un horno por 24 horas a 60°C.

Las propiedades químicas del polvo de mineral fueron estudiadas por absorción atómica en espectrofotómetros Varian AA200. Las propiedades estructurales de los nanoalambres se estudiaron utilizando un difractómetro de rayos Rigaku MiniFlexII con un ánodo de cobre (λ Cu Kα = 1.5418 Å). La morfología de los mismos fue hecha por un microscopio electrónico de barrido (SEM) Jeol JSM 5300-LV (FCFM-UANL).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El procesamiento del mineral de una mina requiere que éste sea triturado y pulverizado antes de que comience la extracción de los materiales valiosos. Dado que la mayoría de los metales está presente en los minerales como óxidos o sulfuros, el metal debe reducirse a su forma metálica. Esto se puede lograr a través de diferentes medios como la fundición o la reducción electrolítica. En este trabajo se utilizó la reducción química partiendo de los estudios de los polvos mediante espectroscopía de absorción atómica, técnica usada comúnmente en minería para ver la composición del material a obtener y la viabilidad de la mina (Idris, 2022), dando como resultado 5% de cobre metálico en lamena de mina usada. Dato que se puede corroborar en la tabla I.

La película compuesta de nanoalambre, formada en el estudio, partiendo de material de mina (figura 2), mostró ser una película homogénea con un color azul claro, adhiriéndose bien al sustrato de vidrio, lo que demuestra su potencial para aplicaciones como recubrimientos o como parte de un material compuesto o híbrido combinado con algún otro nanomaterial (Mahmoudi, 2021).

Figura 2. Película de nanoalambres de Cu(OH)2.

El patrón de difracción de rayos X (figura 3) de la película delgada azul preparada mostró que todos los picos de difracción pueden indexarse como la forma ortorrómbica de Cu(OH)2 en comparación con los archivos de tarjetas JCPDS No. 72-0140, resultado que coincide para nanoalambres de cobre con propiedades superhidrofóbicas de Cu(OH)2 (Xin, 2018).