Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 3 (2):96-105. Abril-Junio 2020 https://doi.org/10.37636/recit.v3296105.
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Síntesis de película delgada de microesferas abiertas de
nanovarillas de TiO
2
aplicado como sensor electroquímico
de Hg
2+
Thin film synthesis of open microspheres of TiO
2
nanorods applied as an
Hg
2 +
electrochemical sensor
Hinostroza Mojarro Juan José
1
, Ruiz Ramírez Mirza Mariela
1
, Silva Carrillo Carolina
2
,
Félix Navarro Rosa María
2
, Valle Trujillo Paul Antonio
1
, Trujillo Navarrete Balter
1
1
Tecnologico Nacional de México/I.T. Tijuana/Posgrado en Ciencia de la Ingeniería, Blvd. Alberto Limón Padilla
s/n. Col. Otay Tecnológico, Tijuana, B.C. 22510, México.
2
Tecnológico Nacional de México/I.T. Tijuana/ Centro de Graduados e Investigación en Química
Autor de correspondencia: Trujillo Navarrete Balter, Centro de Graduados e Investigación en Química, Tecnológico
Nacional de México/I.T. Tijuana/Posgrado en Ciencia de la Ingeniería, Blvd. Alberto Limón Padilla s/n. Col. Otay Tecnológico,
Tijuana, B.C. 22510, México. e-mail: balter.trujillo@tectijuana.mx. ORCID 0000-0002-0196-1001.
Recibido: 15 de Septiembre del 2019 Aceptado: 15 de Mayo del 2020 Publicado: 30 de Junio del 2020
Resumen. - El mercurio (Hg) es uno de los contaminantes más tóxicos, se ha convertido en una amenaza seria
para la salud humana y el ambiente. Su exposición, produce efectos tóxicos graves en seres vivos, afectando los
sistemas: nervioso, digestivo e inmunitario, y otras partes del organismo. El impacto ambiental es significativo y
requiere la atención de todas las partes involucradas. Por esta razón, el desarrollo de métodos analíticos para la
detección de bajas concentraciones de Hg en diferentes muestras es un asunto de interés científico. Actualmente,
el uso de óxido de titanio (TiO
2
) ha revolucionado diversos campos generando nuevas aplicaciones tecnológicas.
El área de sensores no ha quedado ajena a esta revolución debido a las propiedades de este material. En este
trabajo de investigación, se da a conocer el desarrollo de un sensor electroquímico novedoso para la determinación
de ultratrazas de mercurio en agua, a partir de nano-flores de TiO
2
orientados. La síntesis del material se realizó
sobre un sustrato de carbono (grafito) por el método hidrotérmico. La determinación de Hg
2+
en agua fue realizada
mediante voltamperometría cíclica y de pulso diferencial. Las pruebas electroquímicas del sensor mostraron una
sensibilidad, selectividad y estabilidad alta, así como un amplio intervalo de detección en ppb.
Palabras clave: TiO
2
; Nanovarillas; Sensor; Electroquímico; Mercurio.
Abstract. - Mercury (Hg) is one of the most toxic pollutants, it has become a serious threat to human health and
the environment. Its exposure produces serious toxic effects in living beings, affecting the nervous, digestive and
immune systems, and other parts of the organism. The environmental impact is significant and requires the attention
of all the parties involved. For this reason, the development of analytical methods for the detection of low
concentrations of Hg in different samples is a matter of scientific interest. Currently, the use of titanium oxide (TiO
2
)
has revolutionized several fields generating new technological applications. The area of the sensors has not been
alien to this revolution due to the properties of this material. In this research work, the development of a novel
electrochemical sensor for the determination of ultratraces of mercury in water, from oriented nano-flowers of TiO
2
is disclosed. The synthesis of the material was carried out on a carbon substrate (graphite) by the hydrothermal
method. The determination of Hg
2+
in water was made by cyclic voltammetry and differential pulse. The
electrochemical tests of the sensor showed high sensitivity, selectivity and stability, as well as a wide range of
detection in ppb.
Keywords: TiO
2
; Nanorods; Sensor; Electrochemical; Mercury.
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (2):96-105.
1. Introducción
Los metales pesados (M
n+
) son
componentes de la corteza terrestre. Por
definición, son aquellos elementos
químicos que superan por lo menos cinco
veces la densidad del agua. Algunos de
estos elementos son: cobre (Cu), estaño
(Sn), hierro (Fe), cadmio (Cd), mercurio
(Hg), plomo (Pb), arsénico (As) y cromo
(Cr), entre otros. Los cuales no pueden ser
degradados o destruidos. En general, se les
considera perjudiciales, ya que alteran la
salud humana, excepto aquellos elementos
esenciales en nuestra dieta, realizando una
función fisiológica [1]. El desarrollo
industrial y tecnológico, el consumo
masivo y la generación de residuos
urbanos han provocado la presencia de
M
n+
en el ambiente. Estos suelen
incorporarse al cuerpo humano vía
alimentos, agua y aire.
Uno de los M
n+
más utilizados en la
industria es el mercurio. El cual es un
metal con propiedades interesantes, con
baja conductividad térmica y
conductividad eléctrica aceptable. Por
estas características, ha sido utilizado en
lámparas e instrumentos de medición, en la
fabricación industrial de productos
químicos, catalizadores, fungicidas,
herbicidas, pigmentos e incluso drogas [2].
El inconveniente principal del Hg es su
toxicidad alta, donde una dosis baja se
acumula en órganos como, p. ej., el
hígado, el cerebro y el tejido óseo,
causando enfermedades como
insuficiencia renal, trastornos del sistema
nervioso, deterioro intelectual, e incluso la
muerte. La Secretaría del Medio Ambiente
y Recursos Naturales (SEMARNAT),
establece en la NOM- 127-SSA1-1994 los
límites máximos permisibles (LMP) de Hg
(2 μg/L) en el agua para consumo humano
[3]. Es por esto, la necesidad de contar con
dispositivos capaces de detectar
concentraciones trazas que sirvan en el
monitoreo de agua potable y residual.
En la actualidad existen varios métodos
analíticos para la determinación de este
contaminante como: espectroscopía de
adsorción atómica, espectrometría de
masas plasmáticas de acoplamiento
inductivo, entre otras, pero son técnicas
muy costosas y poco sensibles. Una
alternativa es implementar sensores
electroquímicos, que ofrecen muchas
ventajas como: alta sensibilidad, buena
selectividad, medición rápida y simple,
además de ser rentable por su bajo costo de
producción [4]. Los sensores
electroquímicos están compuestos por un
sistema de reconocimiento que interactúa
con el analito de interés, al interactuar se
genera un cambio, este cambio lo
transforma el traductor a una señal
eléctrica medible [5]. La composición de
un sensor puede ser variable dependiendo
del analito a medir, uno de los materiales
con propiedades atractivas para utilizarse
son los óxidos semiconductores como el
óxido de titanio (TiO
2
).
El TiO
2
debido a su excelente estabilidad
química y fotoquímica es un candidato
idóneo para utilizarse en distintas áreas,
además no es toxico, de bajo costo y fácil
de sintetizar [6]. Sin embargo, aún no se ha
explorado a detalle el potencial uso como
sensor. La exposición de planos cristalinos
de ciertas morfologías podría incrementar
su selectividad y sensibilidad dotándole de
un rol principal en la determinación de
compuestos.
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En el presente trabajo, películas delgadas
de microesferas estructuradas
jerárquicamente de nanovarillas de TiO
2
fase rutilo abiertas con forma tipo flor
sintetizadas por el método hidrotérmico.
Variando el tiempo de síntesis para
obtener espesores de película delgada. Las
cuales fueron caracterizadas por
microscopia electrónica de barrido (MEB),
espectroscopia de energía dispersiva,
espectroscopia Raman, y difracción de
rayos-X (DRX). Las películas fueron
evaluadas como electrodos de trabajo para
la determinación de Hg
2+
en solución
acuosa.
2. Metodología
2.1. Síntesis de nanomateriales
Todos los productos químicos se usaron tal
como se recibieron sin purificación
adicional y se compraron a Sigma-
Aldrich® y Spectrum®: isopropóxido de
titanio (IV) (Ti[OCH(CH
3
)
2
]
4
, 99.9%,
conocido como TIP), ácido clorhídrico
(HCl, 37%) y óxido de titanio (IV) fase
rutilo (TiO
2
, 99.9%) como material de
referencia. Todas las soluciones se
prepararon usando agua calidad MilliQ®
(18 MΩ).
La síntesis de las nanoestructuras de TiO
2
se realizó por el método hidrotérmico. Se
varió el tiempo de síntesis para obtener
diversos espesores de película. 0.8 ml de
TIP se agregaron a la solución acidulada a
temperatura ambiente con agitación
magnética constante por 10 min. La
solución resultante se transfirió a un vial
de teflón colocado dentro de una autoclave
de acero inoxidable a 150 °C por x min de
tiempo (x = 60, 90, 120 y 150) en un horno
de convección. Previamente, se colocó un
soporte de grafito de 3.0 x 0.8 cm. en el
interior del vial de teflón. El producto fue
etiquetado en función del tiempo de
síntesis.
Esquema 1. Metodología para la síntesis de materiales de TiO
2
por el método hidrotérmico y los experimentos
electroquímicos.
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2.2. Caracterización fisicoquímica
La estructura cristalina y morf