Ventajas y desventajas del método de descarga de arco

Como se mencionó anteriormente, en el método de arco eléctrico los electrodos pueden estar compuestos por un solo material o por varios. Por ejemplo, si se desea obtener nanomateriales compuestos de carbono, ambos electrodos deben estar compuestos de este material, como lo muestran Jiao y Seraphin [108], quienes fabricación de nanotubos de carbono de pared simple y nanopartículas encapsuladas con el método de arco eléctrico, los cuales se

obtienen al utilizar electrodos a los que se agrega una mezcla de catalizadores en su interior para aumentar la producción. Dicho aumento de producción deriva en el desarrollo y mejora de este método para niveles industriales.

G.M. Shi y colaboradores [109] fabricaron nanocápsulas de hierro recubiertas de o

, por el método de arco eléctrico, utilizando helio e hidrógeno como gases inertes. La presión varió entre 2 y 18 kPa para distintos experimentos. En las nanocápsulas se observaron variaciones en la forma poliédrica a diferencia de trabajos previos en donde se utilizan otros gases inertes como el argón.

Al considerar la variación del voltaje y corriente en el proceso de arco eléctrico se afecta directamente el tamaño de nanopartícula obtenida, de igual manera se propicia un ambiente para la fabricación de distintos materiales nanoestructurados. J. Jiao y S. Seraphin [108] emplean voltajes de 22 a 27 V y corrientes de 75 a 175 A para obtener nanotubos de carbono de pared simple y nanopartículas de hierro, monóxido de carbono y níquel recubiertas de carbono con tamaños entre 37 y 56 nm. Por su parte, G.M. Shi y colaboradores [109] utilizaron voltajes de 20 a 25 V y una corriente de 50 a 60 A en la fabricación de nanocápsulas de hierro recubiertas de

o , las cuales tienen un núcleo de 10 a 55 nm de diámetro y el recubrimiento tiene un espesor de 2 a 4 nm. M.Z. Kassaee y F. Buazar [66] fabricaron nanopartículas metálicas de aluminio en distintos medios como etilenglicol, agua destilada, nitrógeno líquido, nitrógeno gaseoso, aceite de girasol y agua. Estos ambientes aportan al experimento un bajo riesgo de explosión de los electrodos. Además, los medios líquidos juegan un papel importante al enfriar el vapor de aluminio en las nanoestructuras formadas. El voltaje en los experimentos es de 25 V y la corriente tiene una variación de 50, 100 y 150 A. Las nanopatículas obtenidas muestran una ligera variación de tamaños, dependiendo del medio utilizado, que van desde 26.6 nm para el etilenglicol hasta 40.9 nm para el agua, lo cual confirma que el medio juega un rol importante en la variación de tamaños. La corriente también afecta el tamaño de nanopartícula, la cual es directamente proporcional a éste.

Jen-Chieh Lo y colaboradores [98] confirman la efectividad de este método para la fabricación de nanopartículas metálicas recubiertas de carbono. Estas nanopartículas pueden ser fabricadas por distintos métodos, sin embargo, el método de arco eléctrico es ampliamente utilizado por obtener rendimientos de producción relativamente altos. Jieshan Qiu y colaboradores [99] fabricaron nanopartículas de hierro recubiertas con carbono con un promedio

de diámetros de 40 a 55 nm. La forma de estas nanopartículas es esférica; el voltaje utilizado es de 30 a 50 V y la corriente de 50 a 70 A.

En la tabla D se puede observar un resumen de las condiciones experimentales utilizadas en distintas publicaciones para la fabricación de nanomateriales por el método de arco eléctrico.

El método de descarga de arco ofrece la principal ventaja de que las nanopartículas obtenidas por este método alcanzan un alto nivel de cristalinidad; otra de las ventajas es la reproducibilidad de la fabricación, es decir, se pueden fabricar las nanopartículas con las mismas características a las mismas condiciones de operación las veces que sean necesarias, lo cual no ocurre con tanta frecuencia con CVD y CVC. Una de las desventajas de este método es que se obtiene una distribución amplia del tamaño de las nanopartículas y es necesario un método adicional para separarlas en grupos de tamaños similares. También se requiere de un sistema de vacío y un gas inerte para la adecuada fabricación de nanopartículas. Otra de las desventajas de este método es que en la recolección de las nanopartículas se desperdicia mucho material debido a que se dispersa por toda la cámara de reacción.

Tabla D. Resumen sobre algunas características de trabajo por el método de descarga de arco

Publicación Condiciones experimentales Resultados Aplicaciones

Presión Voltaje Corriente Precursores Ambiente Tiempo Tipo Tamaño Synthesis and characterization of

nanocapsules of -Fe (NiCoAl) solid- solution [49]

Dianyu Geng y colaboradores, diciembre 2004 Argón: 150 T Hidrógeno: 15 T 15-36 V 20-150 A Ánodo de polvos de Fe (43.2 g), Ni (11.2 g), Co (19.2 g) y Al con pureza de al menos 98.5%. cátodo tungsteno

Argón e

Hidrógeno 1 hora Nanopartículas magnéticas encapsuladas poliédricas. Nanocápsulas 10-20 nm y el espesor del recubrimiento es de 4 a 11 nm A new crucible design of the arc-

discharge method for the synthesis of graphite encapsulated metal (GEM) nanoparticles [98]

Jen Chieh y colaboradores, enero 2011

200 T 25-30 V 100-150 A Aluminio 99.99% de pureza. Polvo de diamante sintético 99.99% pureza, con relación de 10:1

Helio 2 horas GEM (Graphite encapsulated metal) 52.5 ± 14.1 nm de diámetro, la capa de grafito es de 1 a 2 nm de espesor Posible almacenamiento de hidrógeno, uso biomédico.

Single-walled tubes and encapsulated nanoparticles: comparison of structural properties of carbon nanoclusters prepared by three different methods [108]

J. Jiao y S. Seraphin, 2000

100- 550 T 27 V 75 A Cátodo de alambre de grafito de 9 mm de diámetro. Ánodo de 6 mm de diámetro con perforación en el centro de 3 mm de diámetro, relleno de polvo de Fe, Co o Ni

Helio Nanopartículas metálicas encapsuladas en carbono Fe: 56 nm Co: 40 nm Ni: 37 nm

Medios de grabación magnética, elementos magnéticos de marcado o ferrofluidos en la administración de fármacos y sistemas de monitoreo. Al2O3/Fe2O3 composite-coated polyhedral Fe nanoparticles prepared by arc discharge [109] G.M Shi y colaboradores, abril 2004

15 y 135 T 20-25 V 50 - 60 A Aleación de Al-Fe como ánodo.

Varilla de tungsteno como cátodo. Hidrógeno y helio 0.5 horas Núcleo de Fe poliédrico. Recubrimiento de Al2O3/Fe2O3 10-55 nm y el espesor del recubrimiento es de 2 a 4 nm

Posible grabación magnética, ferro-fluidos, farmacéutica.

Preparation of carbon-coated magnetic iron nanoparticles from composite rods made from coal and iron powders [110] Jieshan Qiu y colaboradores, marzo 2004

500 T 30-50 V 50-70 A Ánodo de carbono relleno de hierro, Cátodo de grafito 16 mm de diámetro y 30 mm de longitud.

Helio Nanopartículas de Fe recubiertas de carbono

25-60 nm Posible grabación magnética, tóner magnético en xerografía, agente de contraste en la resonancia magnética y catalizador de soporte. Carbon-coated Fe-Co (C) nanocapsules

prepared by arc discharge in methane [111].

X. L. Dong y colaboradores, septiembre 2009

100 T Ánodo: aleaciones de Fe-Co,

cátodo: carbono Metano Nanocápsulas 10 nm

Synthesis and characteristics of carbon- coated iron and nickel nanocapsules produced by arc discharge in ethanol vapor [112].

Ping-Zhan Si y colaboradores, agosto 2002

150 T Ánodo: Fe y Ni, cátodo: grafito Argón y

etanol Nanopartículas de hierro y níquel recubiertas de carbono Hierro: 6~40 nm. Níquel: 30-70 nm.

Posible grabación magnética, tóner para xerografía, agente de contraste en la resonancia magnética y catalizador de soporte.

Synthesis of single-wall carbon nanohorns by arc-discharge in air and their formation mechanism [113] Nan Li y colaboradores, diciembre 2010

400 T 120 A Electrodos de grafito puro de 8

mm de diámetro Aire, CO y Nanohorns pared simple de 80–120 nm Soporte catalítico, tecnología de energía limpia, electrodos de celdas de combustible y administración de fármacos.