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InfoANALÍTICA 8(1)
Enero 2020
Vega & Daza, 153–167
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN
DE COMPOSITOS A BASE DE HALLOYSITA
CON NANOESTRUCTURAS DE BISMUTO
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF COMPOSITES
BASED ON HAL
LOYSITE AND BISMUTH NANOESTRUCTURES
Carolina Vega-Verduga
1,2
*
& Caterine Daza-Gómez
2
Recibido: 30 de septiembre 2019 / Aceptado: 18 de diciembre 2019
DOI: 10.26807/ia.v8i1.124
Palabras clave: aglomeración, halloysita, nanocomposito,
nanotubos, bismuto
Keywords: agglomeration, bismuth, halloysite,
nanocomposite, nanotubes.
RESUMEN
En el desarrollo de este trabajo de investigación se han sintetizado y caracteri-
zado nanocompositos en base de halloysita con nanopartículas de sulfuro de
bismuto. La halloysita, es un filosilicato que se encuentra en forma de nanotu-
bos de multicapas y constituye una alternativa
de morfología similar a los na-
notubos de
carbono; sin embargo, posee características químicas distintas en
la superficie externa e interna. La síntesis se llevó a cabo utilizando un método
de impregnación de los precursores en nanotubos de halloysita para el posterior
1 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Escuela de Cien-
cias Químicas, Quito, Ecuador. (*correspondencia: cbvega@puce.edu.ec, carovv25@gmail.com).
2 Univ
ersidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química, Departamento de Química Inorgá-
nica y Nuclear, Ciudad de México, México (cgomez.nanoscience@gmail.com)
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crecimiento de las nanopartículas in situ. La caracterización incluyó espectros-
copias de absorción electrónica (UV-visible) y difracción de rayos X, en polvos.
La morfología de los nanocompositos preparados se evidenció utilizando mi-
croscopía de barrido electrónico (SEM) y microscopía de transmisión electró-
nica (TEM); además se utilizó espectroscopia de energía dispersiva (EDS) para
identificar elementos particulares y su distribución en la muestra. Los resultados
indican que las nanopartículas de Bi
2
S
3
(Bi
2
S
3
NPs), de morfología esférica, se
depositaron de manera uniforme sobre los nanotubos de halloysita (HNTs). Las
partículas en el nanocomposito presentaron mayor diámetro que las partículas
sintetizadas sin HNTs. Este cambio se evidencia en la reducción del ancho del
pico en los patrones de difracción y en la disminución de valor de energía de
la brec
ha energética. La formación del nanocomposito contribuyó a mantener
las nanopartículas dispersas de manera homogénea sobre halloysita, evitando
su aglomeración. Además, se evidenció el control de tamaño y morfología
cuando se utiliza los nanotubos como soporte.
ABSTRACT
In this work, nanocomposites based on halloysite nanotubes have been synt
he-
sized and characterized. Halloysite is a phyllosilicate with multilayer nanotubu-
lar structure. Halloysite nanotubes are a low-cost alternative with similar
morphology o
ver carbon nanotubes. In addition, the tubular structure is com-
bined with differences in reactivity between the external surface and internal
surface. The nanocomposites were synthesized by the impregnation of precur-
sors over halloysite nanotube surface, after that nanoparticle growth was done
in situ
. The characterization of the nanocomposites included several spectro-
scopic techniques such as electronic absorption spectroscopy (UV-Vis). Also,
X-ray diffraction was used for structure characterization. The morphology of the
nanocomposites was study with scanning electron microscopy (SEM) and trans-
mission electron microscopy (TEM). In addition, energy dispersive spectroscopy
(EDS) was used in order to determine composition and identify distribution of
elements over halloysite. The results indicated that Bi
2
S
3
nanoparticles (Bi
2
S
3
NPs) were successfully deposited on the surface of halloysite nanotubes (HNTs).
Bi
2
S
3
nanoparticles synthesized over halloysite surface have a greater diameter
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155
La arcilla halloysita fue detallada por
primera vez en 1826 por Berthier,
como un mineral 1:1 dioctáedrico.
La halloysita es un polimorfo de la
caolinita y su fórmula mínima es
Al
2
Si
2
O
5
(OH)
4
*nH
2
O (Hendricks,
1938). Este filosilicato presenta de
manera natural varias morfologías,
tales como placas o esferas; sin em-
bargo, la morfología predominante es
tubular (Singh, 1996). Los nanotubos
de halloysita se encuentran dispues-
tos en
multicapas, su preparación no
requiere de procesos costosos como
la preparación de nanotubos de car-
bono o de nitruro de boro; esto cons-
tituye una alternativa menos costosa
que es morfológicamente similar a
los nanotubos de carbono (Du, Guo,
& Jia, 2010). Entre las características
principales se puede mencionar que
la longitud de los nanotubos de ha-
lloysita (HNTs) va de 0,2 a 2,0 µm; el
diámetro interno se encuentra en el
intervalo
de 10 nm a 40 nm y el diá-
metro externo de 40 nm a 70 nm.
Además, el tamaño de poro prome-
dio está en el intervalo de 79,7 Å a
100,2 Å y el tamaño de partícula en
solución acuosa al 5 %, se encuentra
entre los valores de 50 nm a 400 nm
(Liu, Jia, Jia, & Zhou, 2014). Materia-
les nanoestructurados de tipo (1D)
como los nanotubos de halloysita son
de gran interés debido a su alta resis-
te
ncia mecánica, estabilidad térmica,
biocompatibilidad y abundancia (Liu
et al., 2014). Además, son considera-
dos como materiales verdes, ya que
su extracción y utilización ocasiona
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COMPOSITOS
A BASE DE HALLOYSITA CON NANOESTRUCTURAS DE BISMUTO
Vega & Daza, 153–167
than particles synthesized without HNTs as a support; reduction in the peak
wide of diffraction patterns and decrement in the bandgap energy value. The
development of these nanocomposites account to maintain nanoparticles dis-
persed all over halloysite and avoiding particle agglomeration. Lastly, halloysite
nanotubes contribute to maintain size control and a narrow size distribution of
nanoparticles.
INTRODUCCIÓN
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156
InfoANALÍTICA 8(1)
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un bajo impacto ambiental (Lvov,
Wang, Zhang, & Fakhrullin, 2016).
En la síntesis de nanoestructuras es
deseable tener el control de la disper-
sión, el tamaño y la morfología de
partículas, ya que estas variables pue-
den afectar el desempeño del mate-
rial en distintas aplicaciones. Se
propone el uso de nanotubos de ha-
lloysita (HNTs) como nanoplantillas
o nanoreactores para la síntesis de
materiales nanoestructurados con
distribuciones de tamaño de partí-
cula estrechas (Du et al., 2010).
Adi-
cionalmente, la halloysita se propone
como componente de materiales
avanzados como los nanocomposi-
tos, debido a su fácil funcionaliza-
ción, estructura definida y amplia
disponibilidad. Se ha reportado que
los nanocompositos HNTs-TiO
2
pre-
sentan mayor actividad fotocatalítica
para la degradación de NO
x
bajo luz
visible, comparado con TiO
2
(P25)
comercial. Por lo tanto, los nanotu-
bos de halloysita mejoran la disper-
sión y actividad fotocatalítica de las
nanopartículas de TiO
2
(Papoulis et
al., 2010).
Al ser un mineral biocompatible, se
ha utilizado en la síntesis de nano-
compositos HNTs-Ag, tiene buen de-
sempeño en contra de bacterias
Gram-negativas como la Escherichia
coli y Gram-positiivas como el Staphy-
lococcus aureous (Zhang, Chen,
Zhang, Zhang,
& Liu, 2013). Las na-
noaleaciones también han sido utili-
zadas para la formación de com-
positos con nanotubos de halloysita.
Nanoaleaciones de FeNi soportadas
en nanotubos de halloysita alcanzan
casi 100 % en la descomposición ca-
talítica de PH
3
hacia P
4
e hidrógeno
a baja temperatura (Tang, Li, Shen, &
Wang, 2013).
En el presente trabajo de investiga-
ción se describe la síntesis y caracte-
rización de
un composito de halloy-
sita con nanopartículas de sulfuro de
bismuto, debido a las múltiples apli-
caciones de este material. El sulfuro
de bismuto (Bi
2
S
3
) es un semicon-
ductor de estructura laminar, la ener-
gía de la brecha energética o
“bandgap” para la forma microcrista-
lina del material tiene valor de 1,3 eV
(Vogel, Hoyer, & Weller, 1994). Su
energía de brecha energética se en-
cuentra en el rango del espectro de
luz visible lo que lo hace útil en apa-
ratos de conversión de energía solar
(Pejova & Grozdanov, 2006). Este
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157
material presenta algunas aplicacio-
nes prácticas tales como dispositivos
termoeléctricos (Biswas, Zhao, & Ka-
natzidis, 2012), fotodetectores (Kons-
tantatos, Levina, Tang, & Sargent,
2008), interruptores ópticos (Xi, Hu,
Zhang, Zhang, & Wang, 2009), foto-
catálisis para remediación ambiental
(Cao, Xu, Lin, Luo, & Chen, 2012),
generación de hidrógeno usando
energía solar(Brahimi, Bessekhouad,
Bouguelia, & Trari, 2007), detector de
H
2
(Yao et al., 2008), detector de bio-
moléculas (Cademartiri
et al., 2009).
Además de sus múltiples aplicacio-
nes es importante señalar que pre-
senta menor impacto ambiental que
otros materiales como PbS, CdS,
HgS, que tienen aplicaciones simila-
res (Zumeta, Ortiz, Díaz, Trallero, &
Ruiz, 2014) .
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COMPOSITOS
A BASE DE HALLOYSITA CON NANOESTRUCTURAS DE BISMUTO
Vega & Daza, 153–167
MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales y Equipos
Los reactivos utilizados fueron nitrato
de bismuto pentahidratado
(Bi(NO
3
)
3
·5H
2
O, Sigma, 98 %), di-
metilsulfóxido (DMSO, J.T Baker),
azufre elemental (S, Sigma-Aldrich,
99,5 %), hidróxido de amonio
(NH
4
OH, J.T Baker, 28,3 % de NH
3
),
nanotubos de halloysita
(H
4
Al
2
O
9
Si
2
·2H
2
O, Sigma), acetona
(CH
3
COCH
3
, J.T Baker, 99,5 %) y
agua desionizada (resistividad 14
MΩ*cm). Todos los reactivos fueron
utilizados sin purificación adicional.
Las imágenes TEM y HR-TEM se ob-
tuvieron en un microscopio electró-
nico JEOL-2010 con voltaje de 200
kV. El procesamiento de imágenes se
realizó utilizando software DigitalMi-
crograph (GATAN versión 3.7.0). Las
imágenes de microscopia electrónica
de barrido se obtuvieron en JEOL59
00LV usando voltaje de 20 kV. Los es-
pectros Raman se obtuvieron en EZ-
Raman-N (Enwave Optronics), equi pa-
do con un láser de 532 nm. Los pa-
trones de difracción de rayos X (DRX)
se midieron con el difractómetro D2-
Phaser (Bruker) utilizando radiación
Kα de Cu (1,5418 Å). Los espectros
de reflactancia difusa se obtuvieron
en Cary-5E Varian; la función de Ku-
belka-muk se utilizó para estimar el
valor de brecha de banda o bandgap.
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InfoANALÍTICA 8(1)
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Síntesis de NPs de Bi
2
S
3
Se adicionó 1*10
-4
mol (49,6 mg) de
nitrato de bismuto pentahidratado
Bi(NO
3
)
3
·5H
2
O en 40 mL de DMSO,
se calentó la dispersión hasta 120 °C
bajo agitación magnética hasta la
completa disolución de la sal precur-
sora de bismuto. Al mismo tiempo se
preparó una solución de 4,96 mg de
azufre elemental en 10 mL de DMSO
a 120 °C. Se adicionó la solución de
azufre a la solución de nitrato de bis-
mu
to, finalmente se agregó hidróxido
de amonio bajo agitación constante
hasta que la solución adquiera una
coloración obscura debido al preci-
pitado Bi
2
S
3
. La suspensión se man-
tuvo a 120 °C por 15 minutos. El
producto negro se separó mediante
centrifugación, se lavó tres veces con
agua y tres veces con acetona, se
secó a 50 °C durante 12 horas.
Síntesis del nanocomposito NPs
Bi
2
S
3
-HNTs
Se adicionó 1*10
-4
mol (49,6 mg) de
Bi(NO
3
)
3
·5H
2
O y 75 mg de
H
4
Al
2
O
9
Si
2
·2H
2
O (halloysita) en 40
mL de DMSO. El sistema se mantuvo
sellado con parafilm y con agitación
magnética, a temperatura ambiente,
por 72 horas. Transcurrido el tiempo
de impregnación, se calentó la dis-
persión hasta 120 °C bajo agitación
magnética. En caliente se adicionó
una solución de azufre (4,96 mg de
azufre elemental en 10 mL de DM
SO), finalmente se agregó NH
4
OH
bajo agitación constante hasta que la
solución presentó coloración obscura
debido al precipitado formado. La
suspensión se mantuvo a 120 °C por
15 minutos. El producto negro se se-
paró mediante centrifugación, se lavó
tres veces con agua y tres veces con
acetona, se secó a 50 °C durante 12
horas.
RESULTADOS
Caracterización de los nanotubos de
halloysita
Se llevó a cabo la caracterización de
lo
s nanotubos de halloysita utili-
zando técnicas espectroscópicas y
microscopia electrónica.
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SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COMPOSITOS
A BASE DE HALLOYSITA CON NANOESTRUCTURAS DE BISMUTO
Vega & Daza, 153–167
La Figura 1 muestra el patrón de di-
fracción (DRX) de halloysita comer-
cial (Sigma Aldrich). Las reflexiones
de la estructura cristalina halloysita se
caracterizan por líneas relativamente
anchas con una pequeña relación de
señal a ruido. Además de los picos
identificados a partir de halloysita,
hay reflejos de las impurezas de fel-
despato y cuarzo (SiO
2
) a 15,9° y
26,9°, respectivamente. Las señales
de difracción coinciden muy bien
con los valores estándar de la Halloy-
sita-7 Å (PDF No. 29-1487). Un pico
ancho a 12,1° correspondiente a 7,3
Å es asignado a las reflexiones basa-
les de primer orden (001). La inter-
capa de agua en la halloysita (10 Å)
presenta una diferencia de al menos
3 Å en el valor de la señal d
001
con
respecto a halloysita (7 Å), esta dife-
rencia representa el grosor de la mo-
nocapa de moléculas de agua. El pico
de mayor intensidad (100) correspon-
diente a 4,4 Å y es indicativo de la es-
tructura tubular de la halloysita.
Figura 1. Patrón de difracción de los nanotubos de halloysita
Se realizó un estudio mediante mi-
croscopía electrónica de barrido SEM
y de transmisión TEM por sus siglas
en inglés, para conocer con mayor
detalle la morfología de los nanotu-
bos. En la Figura 2a se puede obser-
var claramente la morfología tubular
de halloysita, la longitud del nano-
tubo es variable en la muestra. Ade-
más, en la Figura 2b es posible
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InfoANALÍTICA 8(1)
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Caracterización de NPs Bi
2
S
3
y na-
nocomposito NPsBi
2
S
3
-HNT
La estructura de sulfuro de bismuto
(Bi
2
S
3
) que se obtiene, posee un sis-
tema cristalino ortorrómbico, con un
grupo espacial Pmcn (62). Los pará-
metros de celda son a = 3,981(1) Å
b = 11,147(3)Å c = 11,305(2)Å.
En la Figura 3b se muestra el patrón
de difracción de las nanopartículas
de sulfuro de bismuto (NPs Bi
2
S
3
)
sintetizadas, en el cual los picos se
encuentran superpuestos formando
señales amplias. Este patrón de di-
fracc
ión puede justificarse por algu-
nos motivos: a) el orden cristalino es
de muy bajo alcance (Zumeta et al.,
2014) b) el tamaño muy pequeño de
cristalita afecta el ancho de los picos
del patrón de difracción. En la figura
3a se observa el patrón de difracción
del nanocomposito preparado con
sulfuro de bismuto y halloysita. Se
puede establecer que las nanopartí-
culas de sulfuro de bismuto presen-
tan un ligero aumento en el diá me-
tro, lo cual resulta en una disminu-
ción del ancho de pico de difracción.
Adicionalmente, se pueden distinguir
los picos
con mayor intensidad (001)
evidenciar que los nanotubos de ha-
lloysita presentan variaciones en su
longitud. Adicionalmente, se puede
apreciar las secciones internas varia-
bles de los nanotubos, las cuáles pue-
den ser
susceptibles de funciona- li-
zarse otorgando una matriz para el
crecimiento de materiales con mor-
fología tubular.
Figura 2. a) Imágenes SEM de nanotubos de halloysita
b) Imágenes TEM de nanotubos de halloysita
INFO 8-1_Maquetación 1 6/2/20 10:17 Página 160
161
En la Figura 4 se observa el espectro
de reflactancia difusa de las nanopar-
tículas de sulfuro de bismuto y el na-
nocomposito con halloysita. Se
realizó la estimación de la energía de
brecha de banda directa utilizando la
gráfica de Tauc. Los valores calcula-
dos son distintos entre sí, lo cual se
debe al aumento en el tamaño
cuando se coloca HNT en la síntesis
de NPs Bi
2
S
3
; adicionalmente la va-
riación en tamaño de partícula está
relacionada con el patrón de difrac-
ción obtenido para tales sistemas.
En la Figura 5 se muestra los resulta-
dos de microscopía SEM-EDS para el
nanocomposito NPs Bi
2
S
3
-HNT. El
análisis EDS en modo mapeo se uti-
lizó para corroborar que los elemen-
tos bismuto y azufre (es decir las NPs
Bi
2
S
3
) se encuentran dispersos de
manera homogénea en halloysita, la
cual está representada por los ele-
mentos Al y Si que forman parte de
su estructura laminar
.
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COMPOSITOS
A BASE DE HALLOYSITA CON NANOESTRUCTURAS DE BISMUTO
Vega & Daza, 153–167
y (100), correspondientes a la fase de
halloysita que, a su vez, está aso-
ciado a la estructura tubular de la ha-
lloysita.
Figura 3. Patrones de difracción de rayos X de a) nanocomposito NPs Bi
2
S
3
-HNTs
b) nanopartículas de Bi
2
S
3
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InfoANALÍTICA 8(1)
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Figura 5. Imágenes de microscopía SEM para el nanocomposito NPs Bi
2
S
3
-HNT,
análisis EDS mapeo
Figura 4. a) Espectro de absorción (modo F(R)) de nanopartículas Bi
2
S
3
y nanocomposito NPs Bi
2
S
3
-HNT.
b) Estimación de la energía de band-gap directo para ambos materiales
En la Figura 6 se observan las imáge-
nes TEM para NPs Bi
2
S
3
y el nano-
composito NPs Bi
2
S
3
-HNT. Es posible
diferenciar pequeñas partículas con
mayor contraste dispersas sobre los
nanotubos de halloysita.
INFO 8-1_Maquetación 1 6/2/20 10:17 Página 162
163
La síntesis de nanomateriales me-
diante métodos químicos requiere el
control de la concentración de pre-
cursores para los procesos de nuclea-
ción y crecimiento del material;
concentraciones altas de precursores
aceleran el crecimiento y pueden
modificar la morfología de las nano-
partículas (Wu, Zhou, Zhang, &
Zhong, 2010).
La carga negativa en la superficie ex-
terna de los nanotubos de halloysita
compuesta por grupos siloxano es
una propiedad que se aprovechó
para la absorción de cationes como
Cu
2+
, Bi
3+
o especies catiónicas poli-
nucleares [Bi
6
O
4
(OH)
4
]
6+
formadas
en agua; de esta manera se logra un
crecimiento controlado (morfología y
tamaño) de las nanopartículas sinte-
tizadas.
El tamaño de las nanopartículas de
sulfuro de bismuto aumenta cuando
la síntesis se realiza utilizando nano-
tubos de halloysita como soporte;
este aumento de tamaño se puede re-
lacionar con
el tamaño de cristalita,
ya que la diminución del ancho de
pico en las señales del patrón de di-
fracción refleja un aumento en el ta-
maño de cristalita (Xing, Feng, Chen,
Yao, & Song, 2003).
El valor de energía de brecha energé-
tica para el nanocomposito es 1,74
eV menor al calculado para las nano-
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COMPOSITOS
A BASE DE HALLOYSITA CON NANOESTRUCTURAS DE BISMUTO
Vega & Daza, 153–167
Figura 6. (a) y (b) imágenes TEM de nanopartículas de Bi
2
S
3
(c) imágenes TEM de nanocomposito NPs Bi
2
S
3
-HNTs
DISCUSIÓN
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InfoANALÍTICA 8(1)
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CONCLUSIÓN
Se realizó la caracterización de los
nanotubos de halloysita destacando
que, debido a su estructura enrollada
de multicapas, tienen una cantidad
menor de grupos hidroxilo en la su-
perficie externa, esto en comparación
con otros filosilicatos y lo que contri-
buye a la dispersión eficiente de las
nanopartículas sintetizadas.
La síntesis del nanocomposito Bi
2
S
3
-
HNT constituye una alternativa para
partículas sin soporte (1,81 eV), esta
variación se encuentra relacionada
con el cambio en el tamaño de partí-
cula ya que, debido a efectos de con-
finamiento cuántico, a medida que
disminuye el diámetro de partícula se
tiene un aumento en la diferencia de
energía de la banda de valencia y la
banda de conducción del material
(Pejova & Grozdanov, 2006).
Esta variación de tamaño de partí-
cula, se debe a la dispersión ade-
cuada de los precursores sobre los
nanotubos favoreciendo la nuclea-
ción del material.
Las imágenes de microscopía SEM-
EDS del nanocomposito permiten es-
tablecer que la distribución de Bi
2
S
3
es homogénea sobre los nanotubos
de halloysita, ya que no se observan
diferencias de contraste en la ima-
gen. En el análisis de mapeo EDS se
muestra que tanto los elementos bis-
muto y azufre se encuentran disper-
sos sobre los nanotubos de halloysita.
Con respecto a la morfología, las
imá genes HR-TEM permiten distin-
guir las nanopartículas, así como
también evidenciar la función de los
nanotubos de halloysita en la notoria
disminución de la aglomeración de
nanopartículas de sulfuro de bis-
muto.
Cabe recalcar que el uso de nanotu-
bos de halloysita también puede oca-
sionar un crecimiento preferencial
del material, permitiendo la síntesis
de materiales con distintas morfolo-
gías. Se ha reportado que el uso de
nanotubos de halloysita altera la mor-
fología de las nanopartículas de car-
bonato de bismutilo de nanoplacas
hasta nanoesferas (Ortiz, Vega, Díaz,
& Zumeta, 2018).
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165
la adecuada dispersión de las nano-
partículas de sulfuro de bismuto, evi-
tando su aglomeración. La capacidad
de modificación del valor de brecha
energética en función del tamaño de
partícula ofrece mayores ventajas
para el uso del material.
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COMPOSITOS
A BASE DE HALLOYSITA CON NANOESTRUCTURAS DE BISMUTO
Vega & Daza, 153–167
LISTA DE REFERENCIAS
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S
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S
3
-sensitized BiOCl
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