{"id":3104,"date":"2015-01-21T14:23:14","date_gmt":"2015-01-21T20:23:14","guid":{"rendered":"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=3104"},"modified":"2015-02-16T10:05:01","modified_gmt":"2015-02-16T16:05:01","slug":"produccion-de-bioelectricidad-utilizando-nanofibras-duales-de-tio2carbon-como-electrodo-de-una-celda-de-combustible-microbiana","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=3104","title":{"rendered":"Producci\u00f3n de bioelectricidad utilizando nanofibras duales de TiO2\/carb\u00f3n como electrodo de una celda de combustible microbiana"},"content":{"rendered":"
\"images.forwallpaper.com\"<\/a>

images.forwallpaper.com<\/p><\/div>\n

NORA ALEYDA GARC\u00cdA G\u00d3MEZ*, DOMINGO IXC\u00d3ATL GARC\u00cdA GUTI\u00c9RREZ**, EDUARDO M. S\u00c1NCHEZ*<\/p>\n

CIENCIA UANL \/ A\u00d1O 18, No. 71, ENERO-FEBRERO 2015<\/a><\/p>\n

Art\u00edculo en PDF<\/a><\/p>\n

\"premioinvestigacion2014\"<\/a><\/p>\n

 <\/p>\n

Encontrar fuentes de energ\u00eda alternas\u00a0a los combustibles f\u00f3siles es uno\u00a0de los principales problemas que\u00a0afronta la sociedad en nuestros d\u00edas,\u00a0debido a que se estima que el consumo\u00a0de energ\u00eda mundial crecer\u00e1\u00a056% para 2040. Las celdas de combustible\u00a0microbianas (MFC, por sus siglas en ingl\u00e9s)\u00a0son dispositivos electroqu\u00edmicos que convierten la\u00a0materia org\u00e1nica en energ\u00eda mediante la acci\u00f3n\u00a0biocatal\u00edtica de microorganismos exoelectrog\u00e9nicos. (1,2)\u00a0Una MFC consta de dos c\u00e1maras, una an\u00f3dica y otra\u00a0cat\u00f3dica, divididas por una membrana de intercambio\u00a0prot\u00f3nico. Los microorganismos exoelectr\u00f3genos\u00a0oxidan la materia org\u00e1nica de la c\u00e1mara an\u00f3dica, lo\u00a0que produce electrones que viajan a trav\u00e9s de una\u00a0serie de enzimas respiratorias y logran salir de la c\u00e9lula;\u00a0enseguida los electrones son transferidos hacia\u00a0el \u00e1nodo y fluyen hacia el c\u00e1todo. Para conservar la\u00a0electroneutralidad del sistema, la transferencia de electrones\u00a0debe acompa\u00f1arse de un n\u00famero igual de\u00a0protones, entre estos dos electrodos, a trav\u00e9s de la\u00a0membrana de intercambio prot\u00f3nico. Por \u00faltimo, la\u00a0combinaci\u00f3n de protones con ox\u00edgeno en la c\u00e1mara\u00a0cat\u00f3dica produce agua. (3)<\/p>\n

Estos dispositivos a\u00fan son una promesa tecnol\u00f3gica,\u00a0debido a sus bajos rendimientos de potencia;\u00a0esto est\u00e1 en funci\u00f3n de la tasa de transferencia de\u00a0electrones de los microorganismos al \u00e1nodo, la resistencia\u00a0del circuito y la transferencia de masa de\u00a0protones en el l\u00edquido, entre otros factores. (4) Uno de\u00a0los mayores retos a superar para mejorar el rendimiento\u00a0de estos dispositivos electroqu\u00edmicos radica\u00a0en la naturaleza del electrodo an\u00f3dico, debido a que\u00a0tiene un rol fundamental en la transferencia electr\u00f3nica\u00a0dentro de la MFC. Las caracter\u00edsticas del electrodo,\u00a0como su composici\u00f3n y morfolog\u00eda, impactan\u00a0en la formaci\u00f3n de la biopel\u00edcula, la transferencia electr\u00f3nica,\u00a0la resistencia del sistema y la velocidad de\u00a0reacci\u00f3n en la superficie del electrodo.<\/p>\n

Lo anterior ha motivado a diversos investigadores\u00a0a desarrollar estrategias alternas dirigidas a la obtenci\u00f3n\u00a0de nuevos materiales an\u00f3dicos con la capacidad\u00a0para soportar biopel\u00edculas electroactivas, y que\u00a0adem\u00e1s sean capaces de transferir la carga el\u00e9ctrica,\u00a0producto del metabolismo electrog\u00e9nico de los microorganismos. (5-9)<\/p>\n

Diversos estudios se han enfocado en la obtenci\u00f3n\u00a0de nanofibras de TiO2<\/sub> y de carb\u00f3n, e incluso\u00a0hasta de pol\u00edmeros conductores por la t\u00e9cnica de\u00a0electrospinning;10-2 sin embargo, no existen reportes\u00a0en la bibliograf\u00eda hasta el momento que nos hablen\u00a0sobre la obtenci\u00f3n de redes compuestas por\u00a0nanofibras duales de TiO2<\/sub>-carb\u00f3n\/carb\u00f3n obtenidas\u00a0por electrospinning. Tambi\u00e9n es importante destacar\u00a0que este sistema tampoco ha sido probado como\u00a0material an\u00f3dico en MFC\u00b4s, por lo que nuestro grupo\u00a0de investigaci\u00f3n se interes\u00f3 en abordar este tema,\u00a0con el fin de obtener resultados que redit\u00faen en conocimiento\u00a0cient\u00edfico de inter\u00e9s.<\/p>\n

METODOLOG\u00cdA<\/strong><\/p>\n

S\u00edntesis de nanofibras duales electrohiladas de TiO2<\/sub>\/C<\/p>\n

Las nanofibras duales (d-NF) se obtuvieron con la t\u00e9cnica de electrospinning de bicomponente, cuyas condiciones se han reportado en nuestros trabajos previos. (13) Dos soluciones precursoras distintas (A:TiO2<\/sub>-PVP-PANI y B:PAN) se expulsaron simult\u00e1neamente a trav\u00e9s de un spinneret integrado por dos agujas confinadas en una geometr\u00eda \u201cside-by-side\u201d (figura 1). El proceso t\u00e9rmico se llev\u00f3 a cabo en un horno tubular (Mini -Mite \u2122). Las nanofibras se calentaron (3\u00b0C\/min) hasta 280\u00b0C en aire durante 1 h; posteriormente, se calcinaron (5\u00baC\/min) a 425o<\/sup>C durante 1 h, con el fin de obtener la fase cristalina de TiO2<\/sub>. Por \u00faltimo, las nanofibras se carbonizaron a 1000\u00baC durante 1 h en N2.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 1. Diagrama del electrospinning de bicomponente. Incerto: micrograf\u00eda del spinneret doble utilizado en este trabajo.<\/p><\/div>\n

Caracterizaci\u00f3n<\/strong><\/p>\n

La estabilidad t\u00e9rmica de las nanofibras electrohiladas se determin\u00f3 con un analizador t\u00e9rmico simult\u00e1neo de TGA y DTA (STA6000 PerkinElmer, Inc.) hasta 980oC (15oC\/min), en N2. Tambi\u00e9n se utiliz\u00f3 un calor\u00edmetro de barrido diferencial (Diamond DSC PerkinElmer, Inc.), usando a-Al2O3 como referencia, hasta 500oC (15oC\/min) en N2. La identificaci\u00f3n de fases y la determinaci\u00f3n de la estructura cristalina se llev\u00f3 a cabo con un difract\u00f3metro de rayos X en polvo (D5000 Siemens) CuKa (l=1.5418\u00c5), a 35 kV y 25 mA; la intensidad se midi\u00f3 entre 20\u00ba y 80\u00ba por 1 h. Un primer an\u00e1lisis morfol\u00f3gico y elemental de las nanofibras electrohiladas se realiz\u00f3 con un microscopio electr\u00f3nico de barrido con emisi\u00f3n de campo, FESEM (FEI NovaNanoSEM200, FEI Company), equipado con un detector EDXS (EDAX). Un estudio detallado sobre la morfolog\u00eda, as\u00ed como la composici\u00f3n de las nanofibras y sus caracter\u00edsticas estructurales, se llev\u00f3 a cabo en un microscopio electr\u00f3nico de transmisi\u00f3n (FEI TEM Titan G2 80-300, FEI Company), equipado con un detector High Angle Annular Dark Field, HAADF (Gatan), un detector Annular Dark Field, ADF, un detector de STEM (Gatan) y un detector EDXS (EDAX).<\/p>\n

La estabilidad electroqu\u00edmica de las nanofibras se evalu\u00f3 mediante voltametr\u00eda c\u00edclica, en un potenciostato\/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument). El comportamiento electroqu\u00edmico de las nanofibras se obtuvo mediante espectroscop\u00eda de impedancia, en un potenciostato\/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument). Los circuitos equivalentes fueron propuestos con la ayuda del software ZSimWin 3.21. Se utiliz\u00f3 un sistema de tres electrodos, los cuales consist\u00edan en: electrodo de trabajo (EW<\/sub>), electrodo auxiliar (EA<\/sub>) de platino en forma de espiral y electrodo de referencia (ER<\/sub>) de Ag\/ AgCl en una soluci\u00f3n de KCl 3 M y K2SO4 0.5 M como electrolito soporte. Las mediciones de corriente se llevaron a cabo en una fuente de voltaje picoamperim\u00e9trica (modelo 6487, Keithley Instruments), aplicando un voltaje desde 0 a 200 V, a temperatura ambiente.<\/p>\n

Dise\u00f1o y ensamble de una media celda de combustible\u00a0microbiana<\/strong><\/p>\n

Las c\u00e9lulas de E. coli K-12 (Bio-Rad, S.A.) se inocularon\u00a0a 20% en un medio de cultivo fresco \u201cmedio\u00a0est\u00e1ndar\u201d (MS) compuesto por 10 g\/L de glucosa\u00a0anhidra, 5 g\/L de extracto de levadura,10 g\/L de\u00a0NaHCO3, 5 g\/L de NaH2PO4, y pH de 7. El cultivo\u00a0obtenido hasta esta etapa ser\u00e1 \u201cE. coli K-12 cultivo\u00a0original\u201d, este cultivo fue sometido a un proceso de\u00a0tres electroactivaciones, aplicando 0.035 V, 0.045 V\u00a0y 0.05 V por 15 segundos, con un potenciostato\/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument).\u00a0Las c\u00e9lulas electroactivadas con 0.05 V las llamaremos\u00a0\u201cE. coli K-12 electroactivada\u201d. Para el desarrollo\u00a0de la biopel\u00edcula sobre las nanofibras duales, se sumergieron\u00a0en una suspensi\u00f3n celular de E. coli K-12\u00a0electroactivada en un medio est\u00e1ndar. Se mantuvo el\u00a0sistema anaerobio y en incubaci\u00f3n est\u00e1tica a 37oC\u00a0por 15 d\u00edas, el medio se remplaz\u00f3 cada 24 h.<\/p>\n

Desempe\u00f1o de las nanofibras como \u00e1nodo en una\u00a0celda de combustible microbiana<\/strong><\/p>\n

Para evaluar el desempe\u00f1o las nanofibras duales de\u00a0TiO2-Carb\u00f3n\/Carb\u00f3n como \u00e1nodo en una celda de\u00a0combustible microbiana, se utiliz\u00f3 un sistema de\u00a0media celda de combustible con tres electrodos. El\u00a0electrodo de trabajo (EW<\/sub>) se compuso de las\u00a0nanofibras duales de TiO2-Carb\u00f3n\/Carb\u00f3n, soportando\u00a0una biopel\u00edcula de la bacteria Escherichia coli\u00a0K12 (Biorad) electroactivada, tercera generaci\u00f3n; se\u00a0utiliz\u00f3 tambi\u00e9n un electrodo de Ag\/AgCl en una soluci\u00f3n\u00a0de KCl 3 M, como electrodo de referencia\u00a0(ER<\/sub>), y un alambre de Pt en forma de espiral como\u00a0electrodo auxiliar (EA<\/sub>). La soluci\u00f3n an\u00f3dica consisti\u00f3\u00a0en una soluci\u00f3n de glucosa 11 mM como fuente\u00a0de carbono en un buffer de fosfatos 50 mM. Adem\u00e1s,\u00a0se a\u00f1adi\u00f3 azul de metileno en una concentraci\u00f3n\u00a0de 23.7 mM. Los experimentos se llevaron a\u00a0cabo con un potenciostato\/galvanostato (VMP3,\u00a0Biologic Science Instrument) y se realizaron mediciones\u00a0cronoamperom\u00e9tricas, aplicando un potencial\u00a0de 0.2V (vs. Ag\/AgCl) sobre el electrodo de trabajo,\u00a0y se midi\u00f3 la se\u00f1al de corriente generada. Todas\u00a0las operaciones experimentales se llevaron\u00a0anaer\u00f3bicamente, a una temperatura de 25o<\/sup>C.<\/p>\n

Resultados y discusi\u00f3n<\/strong><\/p>\n

En esta secci\u00f3n de resultados, se observa un claro enfoque hacia el an\u00e1lisis riguroso de la obtenci\u00f3n y el comportamiento de las nanofibras duales de Ti(Oi<\/sub>Pr)4<\/sub>-PANI-PVP\/PAN, sobre los otros materiales desarrollados y caracterizados. Las nanofibras duales de Ti(Oi<\/sub>Pr)4<\/sub>-PANI-PVP\/PAN se representan de esta manera para indicar que es el material tal como fue electrohilado, una vez sometido a un proceso t\u00e9rmico particular nos referiremos a \u00e9ste de manera general como TiO2<\/sub>-Carb\u00f3n\/Carb\u00f3n.<\/p>\n

Al hacer modificaciones en los spinnerets utilizados en el equipo de electrospinning, se electrohilaron redes de nanofibras con diferentes arquitecturas. Como se muestra en la figura 2, con los tres spinnerets utilizados se lograron obtener redes compuestas por nanofibras sencillas, duales y n\u00facleo-coraza, al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos del equipo de electrospinning de 20, 25 y 30 kV, respectivamente.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 2. Micrograf\u00edas de los spinnerets y las arquitecturas de las nanofibras electrohiladas que se produjeron despu\u00e9s de un tratamiento t\u00e9rmico particular: a) spinneret para nanofibras sencillas; b) spinneret para nanofibras duales; c) spinneret para nanofibras n\u00facleo-coraza.<\/p><\/div>\n

Para las tres arquitecturas electrohiladas se lograron\u00a0obtener redes de nanofibras continuas y dispuestas de manera aleatoria sobre el sustrato de aluminio.\u00a0Estas im\u00e1genes confirman la presencia de nanoestructuras\u00a0tipo fibras que se interconectaron y, como\u00a0producto de estas interconexiones, formaron una red\u00a0no tejida \u201cmat non-woven\u201d.<\/p>\n

En la figura 3 se presentan las nanofibras duales;\u00a0es posible destacar la rugosidad en una de las de las\u00a0nanofibras, esta caracter\u00edstica topogr\u00e1fica de la superficie del material es caracter\u00edstica del PAN, (14) lo\u00a0que comprueba que los chorros paralelos de las dos\u00a0soluciones viajaron juntos hacia la placa colectora\u00a0para formar la red no tejida de nanofibras duales.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 3. Micrograf\u00edas obtenidas por FESEM de las nanofibras duales de
Ti(OiPr)4-PANI-PVP\/PAN.<\/p><\/div>\n

Las curvas del an\u00e1lisis termogravim\u00e9trico presentadas en la figura 4a revelan el porcentaje en p\u00e9rdida de peso del material por efecto de la temperatura; por otra parte, las curvas del an\u00e1lisis t\u00e9rmico diferencial de la figura 4b revelan un n\u00famero de inflexiones correspondientes a los eventos que toman lugar por efecto de la temperatura en las nanofibras sencillas y duales; asimismo, las curvas del an\u00e1lisis calorim\u00e9trico diferencial de barrido mostradas en la figura 4c corroboran las energ\u00edas de los procesos ocurridos en el material. Para la gr\u00e1fica que corresponde justo a la nanofibra dual de Ti(Oi<\/sub>Pr)4<\/sub>-PANI-PVP\/ PAN, en la figura 4b, se aprecia un primer evento a los 80\u00baC, que indica la evaporaci\u00f3n de humedad y solventes, este evento est\u00e1 asociado con una p\u00e9rdida de masa de 8%. El siguiente evento notable est\u00e1 representado por una inflexi\u00f3n a los 288o<\/sup>C, relacionado con la desprotonaci\u00f3n de PAN; (15) una inflexi\u00f3n exot\u00e9rmica se present\u00f3 a los 327o<\/sup>C y corresponde con el proceso de estabilizaci\u00f3n oxidativa de PAN, (16) el cual implica la formaci\u00f3n de un anillo; (17) posiblemente tambi\u00e9n se deba a la formaci\u00f3n de enlaces de hidr\u00f3geno entre los grupos lactama del PVP y grupos nitrilo de PAN; (18) la pirolisis de PVP est\u00e1 asociada a una inflexi\u00f3n endot\u00e9rmica a los 409o<\/sup>C. (19) La inflexi\u00f3n a los 518o<\/sup>C corresponde a la degradaci\u00f3n de la cadena principal de PANI, con la eliminaci\u00f3n de acetileno; finalmente, una inflexi\u00f3n a los 640o<\/sup>C se relaciona con la p\u00e9rdida de hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno de la estructura de PAN. (16)<\/p>\n

El total de eventos (79%) de la p\u00e9rdida en masa y\u00a0la reducci\u00f3n del di\u00e1metro de las nanofibras duales\u00a0carbonizadas se presenta en la figura 4a. Un comportamiento\u00a0muy particular se present\u00f3 en las gr\u00e1ficas\u00a0de DSC para las nanofibras duales (figura 4c),\u00a0debido a que se present\u00f3 una inflexi\u00f3n pronunciada\u00a0justo a una temperatura de 340o<\/sup>C. Este valor se encuentra\u00a0en el intervalo de temperaturas en el que se\u00a0presenta la formaci\u00f3n de los puentes de hidr\u00f3geno\u00a0de los grupos lactama del PVP y los grupos nitrilo\u00a0del PAN, formando uniones entre fibras adyacentes.\u00a0Esto sugiere que en las nanofibras duales se favorece\u00a0la intimidad entre las nanofibras de diferente composici\u00f3n.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 4. Termogramas para las nanofibras tal como fueron hiladas sencillas de Ti(OiPr)4-PVP; sencillas de Ti(OiPr)4-PANI-PVP y duales de Ti(OiPr)4-PANIPVP\/PAN. Calentamiento de 15\u00b0C\/min en N2 a 20 cc\/min. a) TGA, b) DTA, c) DSC<\/p><\/div>\n

Despu\u00e9s de que las nanofibras se sometieron a\u00a0los procesos t\u00e9rmicos, el di\u00e1metro de \u00e9stas decreci\u00f3\u00a0dram\u00e1ticamente; estos cambios se asocian a la p\u00e9rdida\u00a0de componentes org\u00e1nicos de las nanofibras\u00a0electrohiladas, por efecto del tratamiento t\u00e9rmico.\u00a0Por otra parte, la longitud de las nanofibras se mantuvo\u00a0en el rango de los mil\u00edmetros, esto es indicativo\u00a0de la prevalencia de su continuidad, caracter\u00edstica que\u00a0las distingue como fibras. Las figuras 5a y 5b muestran un cambio evidente en las morfolog\u00edas de las\u00a0nanofibras individuales que las componen. En la\u00a0imagen generada con el detector de electrones retrodispersados,\u00a0que se presenta en la figura 6e, es posible\u00a0apreciar que desapareci\u00f3 la rugosidad atribuida a\u00a0PAN en el an\u00e1lisis de la figura 3; mientras que la otra\u00a0nanofibra la increment\u00f3, debido a la formaci\u00f3n de\u00a0estructuras tridimensionales y facetadas que comprueban\u00a0la formaci\u00f3n de cristales de TiO2<\/sub>.<\/p>\n

Se realiz\u00f3 un an\u00e1lisis morfol\u00f3gico y cristalogr\u00e1fico\u00a0a las nanofibras duales de TiO2<\/sub>-C\/C, calcinadas hasta\u00a01000o<\/sup>C durante 3 h, en atm\u00f3sfera inerte. Al incrementar\u00a0la temperatura, observamos, mediante\u00a0HRTEM, que las estructuras carbon\u00e1ceas de las\u00a0nanofibras individuales provenientes de PAN incrementaron\u00a0el ordenamiento de sus \u00e1tomos. Por otra\u00a0parte, la nanofibra individual policristalina tambi\u00e9n\u00a0sufri\u00f3 cambios; al realizar estudios de SAED pudimos\u00a0corroborar en el patr\u00f3n de difracci\u00f3n, que se\u00a0muestra en el incerto de la figura 6, la presencia de\u00a0puntos correspondientes a TiO2<\/sub>\u00a0en su fase rutilo puro,\u00a0mediante la identificaci\u00f3n de las familias de planos\u00a0{110}, {200}, {111}, {211} y {220} (JCPDS # 21-\u00a01276). El ordenamiento at\u00f3mico no fue lo suficientemente\u00a0alto como el de las estructuras graf\u00edticas, pero\u00a0s\u00ed podemos afrimar que tenemos estructuras semigraf\u00edticas.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 5. a) Nanofibras duales, detector Everhart-Thornley; b) nanofibras duales a 250 kX y adquirida con un detector Through Lens.<\/p><\/div>\n

Se llev\u00f3 a cabo un escaneo lineal sobre una secci\u00f3n\u00a0transversal de una nanofibra dual de TiO2<\/sub>-C\/C, de manera particular. En la figura 6a se aprecia la\u00a0micrograf\u00eda adquirida mediante HAADF-STEM de\u00a0las nanofibras duales, la l\u00ednea roja indica la regi\u00f3n de\u00a0la muestra que se estudi\u00f3 durante el an\u00e1lisis de escaneo\u00a0lineal; mientras tanto, el espectro obtenido se muestra\u00a0en la figura 6b. El espectro resultante se\u00f1ala que\u00a0una de las nanofibras, espec\u00edficamente aqu\u00e9lla cuya\u00a0morfolog\u00eda es policristalina, presenta se\u00f1ales claras\u00a0de la presencia de Ti y O, y sugiriere as\u00ed un alto contenido\u00a0de TiO2<\/sub>, mientras la otra nanofibra muestra\u00a0solamente una clara se\u00f1al de carb\u00f3n, lo que a su vez\u00a0sugiere un alto contenido de carb\u00f3n en su composici\u00f3n.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 6. a) Micrograf\u00eda HAADF-STEM de nanofibras dual de TiO2-C\/C; b) Perfil de escaneo lineal de EDXS.<\/p><\/div>\n

En los voltamperogramas (figura 7) de los sistemas de electrodos de redes de nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-<\/sub>C(amorfo)<\/sub>, duales de TiO2(anatasa+rutilo)<\/sub>-C(amorfo)<\/sub>\/ C(amorfo)<\/sub> y duales de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub> fue posible identificar una ventana de potencial de 1.8 V, y no se observan reacciones farad\u00e1icas que indiquen la alteraci\u00f3n de los electrodos. Para el sistema de redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/ C(semigrafito)<\/sub>, el voltamperograma mostr\u00f3 un sesgo en la evoluci\u00f3n del hidr\u00f3geno. Los portadores de carga se acumulan sobre la superficie del material; sin embargo, cuando esta superficie se agota, comienzan nuevamente los procesos difusivos en los que las cargas viajan desde el seno de la disoluci\u00f3n hacia el electrodo, y eso cuesta trabajo, por lo que se observa una disminuci\u00f3n en la corriente. Los fen\u00f3menos de transporte de los portadores de carga son preferentemente difusivos m\u00e1s que capacitivos para los cuatro sistemas estudiados.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 7. Voltamperometr\u00eda c\u00edclica para las redes de nanofibras en K2PO4 0.5 M a 20.<\/p><\/div>\n

En la figura 8 se muestran las gr\u00e1ficas de Nyquist, que representa la admitancia de los cuatro sistemas estudiados; al aplicar un potencial cat\u00f3dico de perturbaci\u00f3n de -0.1V, es posible apreciar la disminuci\u00f3n en los valores de la Rct para las nanofibras duales de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub>. A altas frecuencias, los valores de admitancia real son mayores para las nanofibras TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub>, en comparaci\u00f3n con el resto de las muestras, o bien, con mayor facilidad para la transferencia de carga el\u00e9ctrica a trav\u00e9s del material.<\/p>\n

El comportamiento electroqu\u00edmico de las nanofibras sencillas de C(semi-grafito)<\/sub> se representa por el<\/p>\n

circuito Rs<\/sub>(Rct<\/sub>Qdl<\/sub>)Qp<\/sub> ,donde Rs<\/sub> es la resistencia interna, y Rct<\/sub> es la resistencia a la transferencia de carga. Los elementos de fase constante Q tienen relaci\u00f3n con la alta \u00e1rea superficial, donde Qdl<\/sub> se interpreta como la capacitancia de la doble capa, y Qps<\/sub> como un elemento pseudocapacitivo. Para las nanofibras sencillas TiO2(rutilo)<\/sub>-C(amorfo)<\/sub> y las duales TiO2(anatasa&rutilo)<\/sub>-C(amorfo)<\/sub>\/C(amorfo)<\/sub> se us\u00f3 un mismo circuito equivalente Rs(RctQdl). El valor de Rct <\/sub>calculado para las nanofibras sencillas de C(semigrafito)<\/sub> es tan s\u00f3lo de 19 W. La presencia de altas cantidades de C(amorfo)<\/sub> en las nanofibras duales TiO2(anatasa&rutilo)<\/sub>-C(amorfo)<\/sub>\/C(amorfo)<\/sub>reduce el valor de Rct hasta 1490 W. El modelo m\u00e1s adecuado de circuito equivalente que puede representar el comportamiento electroqu\u00edmico de las nanofibras duales de TiO2(rutilo)<\/sub>–C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub> es el Rs<\/sub> (Qdl<\/sub> (Rct<\/sub>W)) Qps<\/sub>, \u00e9ste presenta un elemento de difusi\u00f3n representado por el elemento de impedancia Warburg (W), para considerar los posibles eventos farad\u00e1icos que se presentar\u00edan debido a la mayor conductividad de las estructuras carbon\u00e1ceas semigraf\u00edticas. La resistencia a la transferencia de carga en estos materiales fue de 3.1W, lo que indica una buena contribuci\u00f3n de las estructuras semigraf\u00edticas en la disponibilidad de portadores de carga electr\u00f3nicos.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 8. Diagrama de Nyquist de Admitancia a -0.1V.<\/p><\/div>\n

Los datos de conductividad obtenidos a partir de la prueba de dos puntas fueron de 4.75×10-2<\/sup> S para las redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)\/<\/sub>C(semigrafito)<\/sub>; y para las nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(amorfo)<\/sub> y duales de TiO2(anatasa&rutilo)<\/sub>-C(amorfo)<\/sub>\/C(amorfo)<\/sub> ,de 4.2×10-8<\/sup> y 3.5×10-8<\/sup>, respectivamente.<\/p>\n

Para tratar de entender el comportamiento de los electrones dentro de nuestro material, es necesario describir el tipo de uni\u00f3n que existe, y a su vez explicar la promoci\u00f3n de la conducci\u00f3n electr\u00f3nica del sistema en t\u00e9rminos de sus estructuras de bandas. La bibliograf\u00eda reporta una amplia variedad de valores de funci\u00f3n potencial para el TiO2<\/sub>. (20-22) En esta secci\u00f3n, usaremos los valores recientemente reportados por Bulakhe et al.22 Consecuentemente, la funci\u00f3n potencial para TiO2<\/sub> es 4.7 eV. Adem\u00e1s, el band gap reportado es de 3.1 eV. Para el caso del material con comportamiento semigraf\u00edtico, aplicamos un valor de funci\u00f3n potencial de 4.2 Ev. (23) Cuando el semiconductor y el metal se ponen en contacto, se produce una transferencia de electrones desde el material semiconductor hacia el semigrafito, y la transferencia continuar\u00e1 hasta que la EF<\/sub> sea la misma en la interfase de los dos sistemas. Las funciones potenciales de los materiales son de 4.2 eV y 4.7 eV para el grafito y el TiO2<\/sub>, respectivamente. Al considerar estas magnitudes tenemos que FGrafito<\/sub> < FTiO2<\/sub>, y esta es la condici\u00f3n necesaria que se debe cumplir para considerar que la uni\u00f3n entre el material semiconductor tipo-n y el semimetal tenga las caracter\u00edsticas de un contacto \u00f3hmico.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 9. Estructura de bandas para grafito y TiO2 despu\u00e9s de la uni\u00f3n.<\/p><\/div>\n

Es posible desarrollar biopel\u00edculas de E. coli K12 electroactivadas de la tercera generaci\u00f3n, sobre las redes de nanofibras duales de TiO2<\/sub> (rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub>; de esta manera queda demostrado que estas redes de bicomponente con arquitectura dual tienen la capacidad para el crecimiento de biopel\u00edculas con una alta densidad celular sobre su superficie, como se muestra en la figura 10. La adhesi\u00f3n de la biopel\u00edcula se debi\u00f3 a la alta \u00e1rea superficial de la red de nanofibras que fue de 28.738 m2<\/sup>\/g, este valor es 60 veces mayor al \u00e1rea superficial de la tela de grafito, que com\u00fanmente se utiliza para este prop\u00f3sito. (24)<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 10. Micrograf\u00edas obtenidas por SEM de la biopel\u00edcula de E. coli K12 electroactivada sobre nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semigrafito)\/C(semigrafito).<\/p><\/div>\n

El valor m\u00e1ximo de densidad de corriente generada biocatal\u00edticamente fue de 8 A\/m2 a las 4.5, utilizando una red de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub>. La densidad de corriente fue en decremento hasta que se alcanz\u00f3 en un intervalo de 4 A\/m2 y 5 A\/m2, y en estos valores se mantuvo por seis horas. Estos resultados obtenidos son comparables con los recientemente reportados por Lanas y Logan.25 Los resultados de densidad de corriente obtenidos hacen a las nanofibras duales de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub> materiales atractivos para utilizarse como soporte de crecimiento de microorganismos y, junto con E. coli K12 electroactivadas, un buen electrodo an\u00f3dico en celdas de combustible microbianas.<\/p>\n

CONCLUSIONES<\/strong><\/p>\n

En relaci\u00f3n con los resultados previamente mostrados y discutidos, es posible proponer a las nanofibras duales electrohiladas de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub> como nanomateriales an\u00f3dicos prometedores en el desempe\u00f1o de celdas de combustible microbianas, no s\u00f3lo por su morfolog\u00eda nanom\u00e9trica unidimensional, sino porque su composici\u00f3n y arreglo estructural favorece el flujo de los electrones entre sus componentes a esas dimensiones; adem\u00e1s, son materiales biocompatibles sobre los que se pueden desarrollar aprovechando su alta \u00e1rea superficial. El uso de estos materiales como \u00e1nodos en celdas de combustible microbianas produce densidades de corriente superiores a las reportadas en la bibliograf\u00eda por otros materiales, como biopel\u00edculas de microorganismos exoelectrog\u00e9nicos.<\/p>\n

RESUMEN<\/strong><\/p>\n

En este trabajo se presenta el desarrollo de un novedoso material compuesto por redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)<\/sub>-C(semigrafito)<\/sub>\/C(semigrafito)<\/sub>, con interesantes caracter\u00edsticas morfol\u00f3gicas y propiedades el\u00e9ctricas. Los resultados obtenidos de voltamperometr\u00eda c\u00edclica (CV), espectroscop\u00eda de impedancia electroqu\u00edmica (IES) y conductividad el\u00e9ctrica demuestran que este material cuenta con las caracter\u00edsticas necesarias para aplicarse como \u00e1nodo en una celda de combustible microbiana. La morfolog\u00eda de este material fue comprobada por microscop\u00eda electr\u00f3nica de barrido (SEM), microscop\u00eda electr\u00f3nica de transmisi\u00f3n (TEM), mientras que la composici\u00f3n qu\u00edmica de las nanofibras fue claramente observada por espectroscop\u00eda de energ\u00eda dispersiva de rayos X (EDXS), y su an\u00e1lisis cristalogr\u00e1fico se llev\u00f3 a cabo por difracci\u00f3n de rayos X (DRX) y difracci\u00f3n de electrones de \u00e1rea selecta (SAED). Este material nanoestructurado con alta \u00e1rea superficial es biocompatible y puede hospedar una densa biopel\u00edcula de E. coli K12 electroactivadas. El desempe\u00f1o del electrodo an\u00f3dcio se evalu\u00f3 por amperometr\u00eda, y se gener\u00f3 biocatal\u00edticamente una densidad de corriente de 800 mA\/cm2<\/sup>.<\/p>\n

Palabras clave: Nanofibras duales, Contacto \u00f3hmico, Bioelectricidad, Celdas de combustible microbianas.<\/p>\n

ABSTRACT<\/strong><\/p>\n

In summary, we present a novel material composed of dual nanofibers of TiO2(rutile)<\/sub>-C(semi-graphitic)<\/sub>\/C(semi-graphitic)<\/sub> with interesting morphological and electrical properties. Based on the results obtained by cyclic voltammetry (CV), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) analyses and electrical conductivity, it was shown that the material is suitable for application as the anodic material in a microbial fuel cell. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) confirmed the morphology of these materials; while the difference in composition between the fibers forming the dual fibers was clearly observed by Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS), and the crystallinity of nanofibers was evident in the results obtained from the X-Ray Diffraction (XRD) and Selected Area Electron Diffraction (SAED) studies.<\/p>\n

This nanostructured material with high superficial area is biocompatible and can host a dense biofilm of electroactivated E. coli. The anodic electrode performance was evaluated by cronoamperometry. The maximum current density obtained in these conditions was 800 mA\/cm2<\/sup>.<\/p>\n

Keywords: Dual nanofibers; Ohmic contact, Bioelectricity; Microbial fuel cell.<\/p>\n

Agradecimientos<\/strong><\/p>\n

Los autores expresan su agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnolog\u00eda, a la Secretar\u00eda de Educaci\u00f3n P\u00fablica y a la Secretar\u00eda de Energ\u00eda, por los proyectos SEP-Conacyt 151587 y Sener-Conacyt 150111. Asimismo, reconocen el apoyo de la Universidad Aut\u00f3noma de Nuevo Le\u00f3n, por medio del Programa de Apoyo a la Investigaci\u00f3n Cient\u00edfica y Tecnol\u00f3gica.<\/p>\n

 <\/p>\n

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Recibido : 18\/07\/14
\nAceptado: 18\/08\/14<\/p>\n

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