Experimento 5

Una vez que se estudió la síntesis de zeolita LTA y FAU sobre diferentes sustratos, ahora se sintetizaran dichas zeolitas sobre microbalanzas de cuarzo. En particular, en este experimento se sintetizo zeolita LTA sobre QCM.

Antes de hacer la síntesis, se analizó la microbalanza de cuarzo. Esto con los objetivos de conocer los materiales con los que está construida la QCM y tener una referencia para comparación después de la síntesis.

Se sabe que la QCM es un disco de cuarzo con electrodos de oro (QuartzPRO, 2017), por esta razón el patrón de difracción de las microbalanzas se comparó con el patrón de difracción de los de los materiales que se supone componen la QCM. Dichos patrones de difracción fueron obtenidos de una base de datos con diferentes análisis de materiales (RRUFF Project, 2017). Los resultados del análisis de rayos X de una QCM de 5 MHz son mostrados en la Fig. 31. Este análisis comprueba la presencia de cuarzo y oro en la QCM.

Figura 31. Comparación del patrón de difracción de una QCM con los patrones de difracción de sus materiales

Una vez que se analizaron adecuadamente los materiales de la QCM se realiza la síntesis de zeolita LTA sobre la QCM. Se recubrieron dos QCM con zeolita LTA. Después de preparar el gel, cada QCM se sumergió en un vial por separado. Posteriormente, se completó el proceso de cristalización por tres horas dentro del horno. En la Fig. 32 se muestran tres microbalanzas de cuarzo de 5 MHz, una limpia (Fig. 32a) y dos las cuales fueron modificadas con zeolita LTA (Fig. 32b, 32c).

a) QCM 5MHZ b) e5b c) e5c

Figura 32. QCM de 5 MHz durante el proceso de síntesis: a) antes de recubrimiento, b) QCM recubierta, c) QCM recubierta

A simple vista no se observan cambios aparentes en la superficie de las QCM, por lo que al analizarlas con el microscopio electrónico de barrido, se pudieron observar las diferencias entre una microbalanza limpia (Fig. 33) y los cristales de zeolita LTA distribuidos sobre la superficie de las QCM después del proceso de síntesis (Fig. 34, 35).

a) b)

c) d)

Figure 33. Micrografías de diferentes zonas de la QCM de 5 MHz con el microscopio electrónico de barrido (SEM)

En el caso de la QCM limpia (antes del proceso de síntesis) al enfocar el haz de electrones sobre el electrodo de oro, se generó interferencia, esto se debe a que el oro es un material conductor. Por esta razón no se pueden obtener imágenes de alta resolución con el microscopio electrónico de barrido del electrodo de oro (Fig. 33a ). En particular la interfaz entre el oro y el disco de cuarzo es mostrada en la Fig. 33a. Por otra parte, el cuarzo se pudo observar con detalle hasta 20 𝜇m (Fig. 33b). Las imágenes de la superficie obtenidas con el SEM, muestran las marcas generadas por el pulido y corte durante la fabricación de la QCM (Fig. 33b), además de impurezas en la superficie del cuarzo.

Figura 35. Imagen de SEM de muestra e5c

Como se puede observar en la Fig. 32a, QCM tiene un disco exterior en el cuarzo, dicho disco es de color gris. Este disco tiene un pulido diferente que el resto del cuarzo. Esto permite ajustar la frecuencia de la QCM durante el proceso de fabricación. En la Fig. 33c se muestra la interfaz entre el disco externo e interno de la QCM, y en la Fig. 33d solamente el disco externo.

Al igual que en el experimento 2, los cristales sobre la QCM están bien definidos y su morfología corresponde a la de la zeolita LTA (Fig. 34, 35). Los resultados de este experimento son similares a los modelos reportados por otros autores (Sasaki et al. 2001, Pormorska et al. 2010), donde objetos solidos son adsorbidos en la superficie de la QCM. Como mostraron los experimentos 1-4, si el material zeolítico es muy poco en comparación con el del sustrato, entonces los patrones de difracción de la muestra no se ven afectados por la zeolita (Fig. 36).

En particular, en la Fig. 35 se muestra la comparación del patrón de difracción de la QCM modificada con zeolita LTA y el patrón de difracción de los materiales que forman una (Fig. 36a). Este análisis no muestra la influencia de la zeolita LTA en el patrón de difracción obtenido, pero si muestra el pico representativo del cuarzo. El oro no se muestra en este difractograma, posiblemente debido a la forma en la que se acomodó la QCM en el equipo de XRD.

En la Fig. 36b el patrón de difracción de una QCM modificada con zeolita LTA es comparado con el de una QCM limpia. En este caso, solo se observa el pico correspondiente al cuarzo en la QCM modificada con zeolita LTA, esto se debe a que las QCM durante los análisis de XRD se colocaron en diferentes posiciones.

Finalmente en la Fig. 36c no se observa la zeolita LTA en el patrón de difracción de la QCM modificada, esto se puede explicar por la pequeña cantidad de cristales en la superficie de la QCM (Fig. 36). De los análisis de la QCM se puede concluir que la QCM si fue modificada con zeolita LTA, pero el material zeolítico es muy poco y está distribuido sobre la superficie de la QCM (Fig. 34, 35).

Los análisis de XRD y SEM aunque ofrecen información de utilidad sobre las muestras utilizadas, tienen limitaciones debido a las propiedades de las mismas muestras. Dichas limitaciones se deben a que la cantidad de zeolita sintetizada sobre las QCM es muy poca en comparación con el sustrato. Lo que provoca que el patrón de difracción del sustrato sea más intenso que el del material zeolítico. Por otra parte debido a las efectos de carga eléctrica sobre el cuarzo (Seeger et al. 2006) no es posible obtener amplificaciones mayores que las mostradas en las Fig. 33-35. Además, las propiedades conductoras del oro no permiten enfocar el haz de electrones del SEM en su superficie, por lo que con esa técnica de caracterización no es posible observar si hay cristales de zeolita sobre la superficie de oro. Aunque la muestra se puede preparar para analizar el oro, dicha preparación podría dañar los sensores, lo que no es deseable en este caso. Por estas razones los análisis mostrados en esta sección se pueden complementar con análisis con microscopia de fuerza atómica o AFM (del inglés Atomic Force Microscopy).