Ingeniería y Tecnología  
Artículo arbitrado  
Fabricación de un detector de N O a base de  
2
un polímero conductor  
Fabrication of a N O detector based on a  
2
conductive polymer  
1
,3  
1
LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO , EDUARDO HERRERA-PERAZA  
2
Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ  
Recibido: Octubre 18, 2012  
Aceptado: Enero 25, 2013  
Resumen  
Abstract  
Recientes investigaciones demuestran la capacidad de la  
polianilina (PANI) para detectar la presencia de diferentes gases  
por medio de cambios en sus propiedades eléctricas; este  
método resulta de fácil diseño, síntesis directa y costos  
accesibles. El objetivo de esta investigación es demostrar la  
capacidad del polímero para detectar la presencia de gases  
contaminantes, en este caso el óxido nitroso debido al cambio  
de resistencia eléctrica del PANI. Esta metodología se basa en  
exponer el polímero a cierta concentración de gas y medir sus  
cambios eléctricos. Existen métodos tales como la  
Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS por sus siglas  
en inglés) que permiten medir dichas alteraciones. Se utilizó un  
dispositivo de cobre recubierto con sal de PANI y expuesto a  
Recent investigations demonstrate the ability of polyaniline (PANI)  
for detecting the presence of different gases through changes  
in electrical properties, this method is easy to design, direct  
synthesis and affordable costs. The objective of this study is  
to demonstrate the ability of the polymer to detect the presence  
of gaseous pollutants, in this case the nitrous oxide due to the  
change of electrical resistance of PANI. This methodology is  
based on exposing the polymer to a certain concentration of  
gas and measure electrical changes. There are methods such  
as electrochemical impedance spectroscopy (EIS for its acronym  
in English) that measure these changes. It was used a copper  
device coated with salt PANI and exposed to 100%  
concentration of N O connected to a computer interface Solatron  
2
1
00% de concentración de N O conectado a un equipo Solatron  
Electroquimic model 1287. We used the Z-view software to  
interpret the electrical changes produced in the material by  
means of Nyquist plots. By knowing the chemical structure of  
2
Interfase modelo Electroquimic 1287. Se utilizó el software Z-  
view para interpretar los cambios eléctricos producidos en el  
material por medio de gráficos de Nyquist.Al conocer la estructura  
PANI and N O the mechanism of displacement of a hydrogen  
2
química del PANI y la del N O se supuso cómo se lleva a cabo el  
atom was assumed to be subsequently occupied by nitrogen,  
leading to a temporal modification of the polymeric chain which  
alters the conductive properties of the polymer. The effect  
occurs only on the surface of the film, therefore, the link can be  
dissociated by raising the system temperature from 40 °C to 60  
°C and then used PANI again for the next test.  
2
desplazamiento de un átomo de hidrógeno, para posteriormente  
ser ocupado por el sitio vacante por el nitrógeno y entonces  
modificar temporalmente la cadena polimérica y, como  
consecuencia, alterar las propiedades conductoras del polímero.  
El efecto se produce únicamente en la superficie de la película,  
por ello, el enlace puede disociarse al elevar la temperatura del  
sistema de 40 a 60 °C y entonces utilizar nuevamente el PANI  
para una siguiente prueba.  
Keywords: detector, electrochemical impedance spectroscopy  
(EIS), nitrous oxide (N O), conductive polymer.  
2
Palabras clave: detector, espectroscopia de impedancia  
electroquímica (EIS), óxido nitroso (N O), polímero conductor.  
2
_
________________________________  
1
Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. (CIMAV), Departamento Medio Ambiente y Energía, Miguel de Cervantes 120,  
C.P. 31109. Chihuahua, Chih. México. Tel. (614) 439-1100.  
Instituto Tecnológico de Chihuahua II (ITCH II). Ave. de las Industrias 11101, C.P. 31130. Chihuahua, Chih. México. Tel. (614) 442-5000.  
2
3
Dirección electrónica del autor de correspondencia: luisa.quinones@cimav.edu.mx.  
2
5
•
Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •  
LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: Fabricación de un detector de  
N O a base de un polímero conductor  
2
Introducción  
a contaminación atmosférica que producen los procesos de desnitrificación por el  
uso de agua residual tratada (ART) produce gases peligrosos para la salud humana,  
L
como es el caso de los óxidos de nitrógeno (NOx), que ocasionan irritación en los  
pulmones y predisposición para contraer diferentes infecciones respiratorias, tales como la  
gripa y la influenza, debido a la disminución de la resistencia del organismo. Además, los  
óxidos de nitrógeno como el N O son importantes contribuyentes potenciales de fenómenos  
2
nocivos como la lluvia ácida y el efecto invernadero.  
En el estado de Chihuahua, el uso  
sustentable del agua constituye un reto a vencer  
dadas las características climáticas e  
hidrológicas que condicionan su escasez en  
una gran parte del territorio chihuahuense. El  
aprovechamiento de las aguas residuales  
tratadas (ART) constituye una alternativa muy  
importante para contribuir a la solución de la  
problemática de escasez. Sin embargo, la  
práctica de reutilización de las aguas residuales  
tratadas genera impactos ambientales y  
sociales que es necesario identificar y valorar,  
con el fin de potenciar los positivos y  
contrarrestar los negativos. Por lo anterior, y  
desde el punto de vista ambiental y sociocultural,  
es importante que se lleven a cabo otras  
actividades de evaluación y seguimiento del  
impacto en los diferentes sitios de utilización,  
para ello, es necesario desarrollar dispositivos  
de detección y monitoreo con materiales  
accesibles y bajo costo de fabricación y uso.  
Los sensores químicos constan de un  
conjunto de elementos que se pueden agrupar  
en tres bloques básicos (Figura 1), que son: 1)  
el elemento de reconocimiento capaz de  
interaccionar de forma selectiva con el  
analito(s); interacción que no tiene por qué ser  
a través de una reacción química; 2) elemento  
mediante el cual se transforma la información  
química en información física, generalmente  
eléctrica; 3) un sistema electrónico para la  
amplificación y procesado de la señal que nos  
genera resultados en las unidades químicas  
(
(
molaridad, porcentaje) o físicas de interés  
Janata et al.,1998).  
Figura 1. Bloques básicos de un sensor.  
Los sensores son dispositivos que  
transforman la información física o química en  
una señal útil que pueda ser procesada y, por  
tanto, que facilite información de interés de una  
manera rápida y sin necesidad de análisis muy  
complejos (Elizalde et al., 2008).  
La determinación de gases tiene gran  
importancia en diversos campos, como  
medicina, medioambiente, biología, agricultura,  
transporte o industria. Los tipos de sensores  
para gases más usados son los de estado  
sólido, los electroquímicos y los infrarrojos.  
Dentro de los primeros, los sensores de estado  
sólido, hay tres tipos de amplio uso: a) los de  
electrolito sólido, b) los catalíticos y c) los de  
óxidos semiconductores.  
Estas características, combinadas con la  
incorporación de los últimos avances en  
tecnologías de miniaturización en la fabricación  
masiva de sensores, hacen de estos  
dispositivos unas herramientas de gran interés  
en la industria dedicada al monitoreo del medio  
ambiente.  
2
6
• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •  
LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: Fabricación de un detector de  
N O a base de un polímero conductor  
2
Tratándose de electrolito sólido, la polianilina  
PANI) es uno de los polímeros conductores de  
estructura química, resulta muy difícil para el  
PANI volver a su estado original (Elizalde et al.,  
2008). Sin embargo, si la interacción del gas  
con el polímero produce únicamente una  
adsorción y no una absorción, el enlace puede  
ser disociado con el aumento de temperatura  
del sistema (Yan et al., 2006). Basándose en  
estas características, se han podido desarrollar  
dispositivos capaces de detectar la presencia  
de distintos gases, y su reversibilidad depende  
de las características de los materiales  
empleados.  
(
mayor interés debido a su estabilidad química y  
alta conductividad; sensores de gas basados  
en materiales PANI han atraído una atención  
considerable en los últimos años debido a sus  
propiedades (Natta y Mazzanti, 1960); la  
conductividad del PANI depende de la capacidad  
de transporte de portadores de carga a lo largo  
de la espina dorsal del polímero (Natta et al.,  
1958; Ito et al., 1974). Así, las moléculas PANI  
fácilmente pueden reaccionar ante la presencia  
de agentes reductores y oxidantes y cambiar  
su conductividad a temperatura ambiente  
Materiales y métodos  
(
Fatmanur et al., 2002). La respuesta del sensor  
Para la síntesis del PANI se utilizó  
monómero de anilina al 99%, sulfonato estireno  
de sodio como agente oxidante, ácido clorhídrico  
como ácido protónico y persulfato de amonio  
utilizado como el iniciador del proceso de  
polimerización.  
puede deberse a la absorción o adsorción del  
N O en la película de PANI, ambos procesos  
2
podrían manifestar un cambio en la resistencia  
eléctrica del polímero, sin embargo, la  
reversibilidad del efecto resulta muy diferente  
para cada caso. La adsorción es distinta a la  
absorción (Figura 2) y entre ambas debe  
establecerse una clara diferencia. En este  
último proceso la sustancia no se retiene en la  
superficie, sino que pasando a través penetra y  
se distribuye por todo el cuerpo de un sólido o  
líquido. Así sucede con el agua absorbida por  
una esponja; mientras que varios gases son  
adsorbidos por el negro de humo. Cuando existe  
duda del proceso que tiene lugar, se emplea el  
término sorción (Levenspiel, 2002).  
Las pruebas fueron realizadas en el  
laboratorio de celdas del Centro de Investigación  
en Materiales Avanzados (CIMAV), con apoyo  
del laboratorio de química de polímeros. Para  
la elaboración del dispositivo se utilizó una  
película de cobre, compuesta de dos partes en  
forma de peines, cada uno con una longitud de  
1
cm y con una separación entre cada diente  
de 1 mm; el área total del dispositivo es de 1  
2
cm . Los peines de cobre fueron considerados  
uno como electrodo de trabajo y otro como el  
contralectrodo; entre ellos se depositó el PANI,  
el cual se consideró el electrolito sólido y sobre  
el cual se realizaron las mediciones de cambio  
de resistencia eléctrica (Figura 3). Para las  
pruebas de voltametría se agregó una película  
Figura 2. Diferencia entre absorción y adsorción.  
2
de níquel-fósforo con un área de 30 mm sobre  
uno de los electrodos de cobre, logrando así un  
tercero, el cual se utilizó como electrodo de  
referencia.  
Cada estado redox de la polianilina está  
asociado con una estructura electrónica  
específica, y el proceso de absorción de  
diferentes moléculas puede detectarse por sus  
cambios en la resistencia y/o conductividad  
eléctricas y debido a la alteración de la  
Síntesis de Polianilina. Ésta fue sintetizada  
a través de la polimerización oxidativa en el  
estado de oxidación de la base de esmeraldina.  
La síntesis se basa en la oxidación química de  
la anilina mediante el uso de un agente  
oxidante.  
2
7
•
Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •  
LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: Fabricación de un detector de  
N O a base de un polímero conductor  
2
Figura 3. a) Elementos que conforman el dispositivo. b) Diseño  
del sensor.  
tiempo de 15 minutos para obtener una película  
de aproximadamente 4 μm de espesor. Los  
electrodos metálicos de Cu se someten a  
tratamiento de limpieza antes de cada uso. El  
tratamiento se llevó a cabo mediante su  
exposición a una solución de ácido nítrico para  
limpiar rastros de pequeños contaminantes del  
ambiente. Una vez que se ha conseguido una  
óptima limpieza, la formación de la película de  
polianilina se realizó mediante la «técnica de  
aerógrafo» (Abdellah et al., 2010) aplicado con  
un rociado fino sobre el peine de cobre 5 mL de  
PANI obteniendo una película de aproxima-  
damente 1.6 μm. Se tomaron imágenes en el  
microscopio electrónico de barrido (SEM por sus  
siglas en inglés) para asegurar la deposición  
homogénea de la película (Figura 4).  
Espectroscopía de Impedancia Electro-  
química (EIS por sus siglas en inglés). Las  
intensidades de corriente fueron medidas con  
un potenciostato galvanostato Solatron  
Electrochemical 1287 y el software de  
investigación electroquímica Z-View y Z-Plot  
Procedimiento de síntesis. Se disolvió  
anilina (1.0 g) en 50 ml de agua destilada, en un  
segundo recipiente fue disuelto lauril éter sulfato  
de sodio (LESS) (3.74 g). Estas soluciones  
fueron mezcladas en un tercer vaso (el reactor)  
y se le adicionó 2.5 ml de HCl. Luego de una  
suave agitación, la solución se estabiliza. El  
reactor fue colocado en un recipiente con hielo  
y se le agrega el persulfato de amonio (APS),  
gota a gota con ayuda de una pipeta. La  
polimerización se dejó actuar durante 24 h a  
una temperatura promedio de 3 °C. Al día  
siguiente, el precipitado PANI se recogió en un  
papel filtro y fue lavado con agua destilada.  
Posteriormente, la parte sólida se volvió a  
dispersar en 100 ml de agua destilada y  
colocada en el agitador de ultrasonido durante  
para su control mediante un equipo de cómputo;  
se trabajó con un voltaje de 50 mV y un rango  
de frecuencia de 100 MHz a 0.1 Hz. Las medidas  
electroquímicas se llevaron a cabo utilizando  
tanto electrodo de trabajo y contralectrodo de  
cobre (Cu) y electrodo de referencia de Ni/P.  
Se utilizó argón (Ar) como gas inerte y poder  
conocer las propiedades iniciales del sistema;  
posteriormente se expuso el dispositivo al flujo  
del gas en el PANI variando la concentración  
entre 100, 50 y 25 % de un volumen total de 250  
ml, con una temperatura constante de 40 °C.  
Figura 4. Imagen obtenida en microscopio de barrido de la  
deposición del PANI sobre el sustrato de cobre.  
10 min. Esta solución de PANI se mantuvo en  
una botella de vidrio completamente cerrada  
hasta ser utilizada nuevamente.  
Preparación de los electrodos. La formación  
del electrodo de referencia de Ni/P sobre el  
cobre, se realizó mediante una deposición por  
método redox con voltaje controlado durante un  
2
8
• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •