Metal nanoparticle carbon nanocomposites to produce electrochemical devices for environmental water monitoring

Abstract

Aquesta tesi se centra en el desenvolupament de sensors electroquímics miniaturitzats de baix cost i fàcils d'utilitzar per a l'anàlisi de la matèria orgànica, compostos halogenats i metalls pesants en aigües. Amb aquesta finalitat, s'adapten diversos materials funcionals, sintetitzats i processats per fabricar sensors de pel·lícula gruixuda i de pel·lícula prima mitjançant processos industrials com son ara la serigrafia i litografia. Es preparen tres materials compostos d'elèctrodes que comprenen una matriu de carboni porosa i nanopartícules metàl·liques o d'òxid metàl·lic. S'estudien diversos processos de síntesi química sol-gel per produir un material nanocomposite de nanopartícules de coure i una matriu de carboni. Amb l'objectiu de contribuir a l'economia circular i buscar una alternativa més sostenible per produir aquests materials, es prepara una matriu de carboni porosa dopada amb nanopartícules de plata utilitzant residus de pa impregnats amb un precursor de nanopartícules de plata. A més, materials de carboni porós es preparen a partir de subproductes de la fusta i es modifiquen amb nanopartícules de bismut. Els materials desenvolupats s'avaluen electroquímicament mitjançant elèctrodes de pasta per després produir lots d'elèctrodes d'un sol ús serigrafiats que s'apliquen a la detecció dels analits diana ja esmentats. Els elèctrodes de carboni de pel·lícula prima també es produeixen sobre substrats de Si/SiO2 mitjançant una síntesi de material sol-gel combinada i un procés de fotolitografia/gravat en sec a nivell de oblia. Les cèl·lules electroquímiques convencionals de tres elèctrodes de configuració plana es produeixen i es desenvolupen com a dispositius sensors per detectar la càrrega orgànica mitjançant l'electrodeposició de nanopartícules de coure (Cu NPs) a l'elèctrode de treball en condicions potenciostàtiques controlades. A més, es fabrica una plataforma fluídica senzilla que inclou una cèl·lula de flux per integrar els elèctrodes de carboni de pel·lícula prima i dur a terme l'electrodeposició de Cu NPs i la detecció de càrrega orgànica de manera automàtica.

Esta tesis se centra en el desarrollo de sensores electroquímicos miniaturizados de bajo coste y fácil manejo para el análisis de materia orgánica, compuestos halogenados y metales pesados en aguas. Con este este propósito, varios materiales funcionales se sintetizan y procesan a medida para fabricar sensores de película gruesa y película delgada mediante procesos industriales disponibles de serigrafía y litografía. Se preparan tres materiales compuestos para la fabricación de electrodos que comprenden una matriz porosa de carbono y nanopartículas metálicas o de óxidos metálicos. Se estudian procesos de síntesis química sol-gel para producir un material nanocompuesto de nanopartículas a base de cobre y una matriz carbono. Con el objetivo de contribuir a la economía circular y buscar una alternativa más sostenible para la producción de estos materiales, se prepara una matriz de carbono poroso dopada con nanopartículas de plata a partir de residuos de pan impregnados con un precursor de nanopartículas de plata. Además, materiales compuestos de carbono poroso se preparan a partir de subproductos de la madera y se modifican con nanopartículas de bismuto. Los materiales desarrollados se evalúan electroquímicamente utilizando electrodos de pasta para después producir lotes de electrodos de un solo uso serigrafiados que se aplican a la detección de los analitos diana ya mencionados. Los electrodos de carbono de película delgada también se producen en sustratos de Si/SiO2 mediante una síntesis combinada de material sol-gel y un proceso de fotolitografía/grabado en seco a nivel de oblea. Las celdas electroquímicas convencionales con una configuración de tres electrodos y de geometría planar se producen y desarrollan como dispositivos sensores para detectar carga orgánica mediante la electrodeposición de nanopartículas de cobre (Cu NP) en el electrodo de trabajo en condiciones potenciostáticas controladas. Además, se fabrica una plataforma fluídica sencilla que incluye una celda de flujo para integrar los electrodos de carbono de película delgada y realizar la electrodeposición de Cu NP y la detección de carga orgánica de forma automática.

This thesis focuses on developing low-cost and easy-to-use miniaturized electrochemical sensors for the analysis of the organic matter, halogenated compounds and heavy metals in waters. For this purpose, several functional materials are tailored synthesized and processed to fabricate thick-film and thin-film sensors by screen-printing and lithography available industrial processes. Three electrode composite materials are prepared that comprise a porous carbon matrix and metal or metal oxide nanoparticles. Several sol-gel chemical synthesis approaches are studied to produce a carbon copper-based nanoparticle nanocomposite material. With the aim of contributing to the circular economy and looking at a more sustainable alternative for producing these materials, a silver nanoparticle-doped porous carbon matrix is prepared using bread waste impregnated with a silver nanoparticle precursor. Also, porous carbon composites are prepared from wood by-products and further modified with bismuth nanoparticles. The developed materials are electrochemically evaluated using paste electrodes before producing large batches of commercial-like screen-printed single-use electrodes that are applied to the detection of the already mentioned target analytes. Thin-film carbon electrodes are also produced on Si/SiO2 substrates by a combined sol-gel material synthesis and photolithography/dry etching process at the wafer level. Conventional three-electrode electrochemical cells of planar configuration are produced and developed as sensor devices for detecting organic load by electrodepositing copper nanoparticles (Cu NPs) on the working electrode under controlled potentiostatic conditions. In addition, a simple fluidic platform is fabricated that includes a flow cell to integrate the thin-film carbon electrodes and carry out the Cu NPs electrodeposition and organic load detection in an automatic fashion."