Fabricación de biocarbón

Oct 01, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9453 (2023) Citar este artículo

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En este estudio, informamos un proceso sencillo y ecológico para la síntesis de biocarbón, BC, y un nanocompuesto de cobalto y biocarbón, Co-BC, utilizando biomasa de paja de arroz. Construimos dos recubrimientos superhidrófobos sobre sustratos de acero mediante electrodeposición potenciostática de biocarbón modificado con níquel, Ni@BC, y níquel modificado con nanocompuesto de biocarbón y cobalto, Ni@Co-BC; luego, estos recubrimientos se empaparon en una solución etanólica de ácido esteárico. La espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier mostró que el recubrimiento Ni@BC injertado con ácido esteárico, Ni@BC@SA, y el compuesto Ni@Co-BC injertado con ácido esteárico, Ni@Co-BC@SA, estaban bien injertados en la superficie del acero. . La microscopía electrónica de barrido reveló que los recubrimientos superhidrófobos tienen características a nanoescala. Los resultados de la microscopía de fuerza atómica mostraron que la capa de Ni@Co-BC@SA tenía mayor rugosidad que Ni@BC@SA, lo que resultaba en una mayor superhidrofobicidad. Los ángulos de contacto con el agua para los recubrimientos Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA fueron 161° y 165°, respectivamente, mientras que los valores de los ángulos de deslizamiento del agua para ambos recubrimientos fueron 3,0° y 1,0°, respectivamente. La estimación cuantitativa de la eficiencia de inhibición de incrustaciones reveló que el recubrimiento Ni@Co-BC@SA exhibió una mayor eficiencia en comparación con el recubrimiento Ni@BC@SA. Además, el recubrimiento Ni@Co-BC@SA demostró una mejor resistencia a la corrosión, resistencia a los rayos UV, resistencia a la abrasión mecánica y estabilidad química en comparación con el recubrimiento Ni@BC@SA. Estos resultados resaltan el rendimiento superior del recubrimiento Ni@Co-BC@SA y su potencial como recubrimiento superhidrófobo altamente efectivo y duradero para sustratos de acero.

Se prevén aplicaciones industriales de amplio alcance para varias superficies sintéticas superhidrófobas, SHP, inspiradas en las hojas de loto1. Las superficies SHP son superficies excepcionalmente repelentes al agua con un ángulo de contacto con el agua, WCA, superior a 150° y un ángulo de deslizamiento con el agua, WSA, inferior a 10°2,3. Debido a la importancia de las superficies SHP tanto en la investigación fundamental como en las aplicaciones prácticas, han recibido mucha atención. Es bien sabido que el comportamiento de humectación de la superficie está determinado por la combinación de superficies rugosas y diversas energías superficiales. Las superficies rugosas de baja energía superficial suelen ser SHP, mientras que las superficies rugosas de alta energía superficial suelen ser superhidrófilas4. Los compuestos perfluorados, como los fluorosilanos o las moléculas de fluorocarbono, se han utilizado históricamente como materiales de baja energía superficial debido a su energía superficial excepcionalmente baja4,5. Sin embargo, se ha demostrado que el empleo de estos fluorocarbonos de cadena larga tiene efectos secundarios muy perjudiciales, como persistencia, biomagnificación y bioacumulación5,6,7,8,9. Por lo tanto, puede resultar un desafío diseñar una superficie SHP con estas características, particularmente cuando existen preocupaciones sobre la seguridad ambiental. Como resultado, es esencial desarrollar procedimientos y materiales de bajo costo y respetuosos con el medio ambiente para producir superficies SHP5,10.

Las superficies SHP tienen una amplia gama de usos, incluida la resistencia a la corrosión, la resistencia a los rayos UV, las tecnologías de separación de agua y aceite, etc.11,12,13,14,15,16,17,18. Se han presentado varias técnicas para el desarrollo de recubrimientos SHP, incluyendo electrodeposición, oxidación anódica electroquímica, anodización, etc.19,20,21,22,23,24,25,26. Debido a su simplicidad, procedimiento de baja temperatura, nanoestructura limpia, asequible y ajustable, la electrodeposición es un excelente método para diseñar superficies SHP artificiales3. Debido a su bajo costo y propiedades mecánicas superiores, el acero al carbono es el material de construcción que se utiliza con mayor frecuencia en numerosas industrias. Se emplea en grandes cantidades en equipos para procesamiento de metales, construcción, puentes, procesamiento químico, producción de petróleo y aplicaciones marinas27,28. La corrosión del acero y su supresión en estas condiciones son problemas de proceso complicados. La corrosión suele considerarse uno de los problemas más críticos de nuestra sociedad, con ramificaciones económicas y de seguridad29,30,31. Las superficies de acero se pueden proteger mediante diversos métodos; el desarrollo de recubrimientos SHP, que aumentan significativamente la resistencia a la corrosión del acero, es uno de los más cruciales32,33.

Las superficies SHP se pueden utilizar en aplicaciones prácticas, pero su inestabilidad mecánica restringe su uso34,35. Los recubrimientos SHP deben tener una mayor estabilidad química y resistencia a la abrasión mecánica para poder emplearse en aplicaciones industriales.

El biocarbón, BC, es una sustancia carbonosa porosa y se crea una vez que una materia prima de biomasa, por ejemplo, astillas de madera, estiércol, restos de semillas y paja de arroz, se piroliza en una cantidad restringida de oxígeno36. El biocarbón se ha vuelto cada vez más popular en los últimos años. El biocarbón tiene un tremendo potencial para reemplazar el grafeno en diversas aplicaciones, ya que es menos costoso que el grafeno (0,25 USD/kg para el biocarbón frente a 1400 USD/kg para el grafeno)37. En todo el mundo, el BC se utiliza como un adsorbente eficaz para eliminar diversos tipos de contaminantes en el agua38. La superficie de BC aumenta mediante modificación con nanopartículas metálicas como cobalto y níquel39. El cobalto, Co, se emplea frecuentemente en los campos de grabación magnética, aeroespacial, construcción naval, resistencia a la corrosión y aleaciones de alta resistencia40,41. Estas numerosas cualidades están determinadas por la forma del material y sus propiedades internas42,43. En consecuencia, controlar la aparición de nanoestructuras de cobalto distintivas se ha convertido en un problema crucial en el sector de fabricación de materiales. Hasta donde sabemos, es el primer informe para la construcción de recubrimientos SHP a base de BC y biocarbón modificado con cobalto, Co-BC, que podrían usarse como materiales resistentes a los rayos UV, antical y a la corrosión. En este estudio, utilizamos BC y Co-BC como aditivo para mejorar la rugosidad de la superficie, esta es la condición principal para lograr las características SHP. Entre todos los productos agrícolas, la paja de arroz es el más utilizado, con una producción anual de 120 millones de toneladas44. Recientemente, la mayoría de los agricultores han optado por quemar paja de arroz porque es la forma más sencilla de producción. Sin embargo, si aumenta el número de quemas, esto tiene graves impactos adversos, como la contaminación del aire. Este impacto ambiental negativo se minimiza transformando estos residuos en materiales más deseables como el BC.

Esta investigación intenta construir un recubrimiento SHP basado en BC y Co-BC sobre la superficie de acero al carbono (ASTM A283/Grado C). Acero ASTM A283/Grado C comúnmente utilizado en la industria de la construcción, recipientes a presión, torres, tanques, industria automotriz, vagones de ferrocarril y aplicaciones estructurales con requisitos de resistencia media45,46,47,48. El ácido esteárico, de bajo coste y seguro para el medio ambiente, se utiliza como compuesto de baja energía superficial49. El biocarbón se sintetizó mediante un método ecológico a partir de la paja de arroz. Se evaluaron la humectabilidad, la estabilidad química y mecánica, la resistencia a los rayos UV, el tratamiento antiincrustaciones y la corrosión para los recubrimientos SHP preparados.

Como sustrato se empleó una placa de acero (ASTM A283/Grado C) con las siguientes medidas: 2,0 cm, 1,0 cm y 0,1 cm. La paja de arroz se recolectó de acuerdo con las directrices y la legislación institucional, nacional e internacional. Se utilizó sulfato de níquel, cloruro de níquel hexahidratado, etanol anhidro, sulfato de cobalto heptahidratado, ácido bórico, ácido sulfúrico, cloruro de sodio, ácido esteárico e hidróxido de sodio de grado analítico.

El proceso de fabricación de BC implicó lavar minuciosamente la paja de arroz para eliminar cualquier impureza, luego secarla al aire antes de colocarla en un horno durante 24 h a 60 °C. Luego, la paja de arroz limpia y seca se procesó mediante una mezcladora para crear un polvo fino. Luego se produjo el BC pirolizando diez gramos del polvo fino durante tres horas a 600 °C en un horno de mufla.

Se añadió CoSO4·7H2O (4,8 g) a 100 ml de agua desionizada que contenía 10 g de polvo fino de paja de arroz con una proporción de % en peso de 1:10 para Co: polvo fino de paja de arroz. La mezcla se sonicó durante 30 min y luego se agitó durante 1,0 h. Después de eso, la mezcla se secó en una estufa a 60 °C durante la noche. Después de eso, se pirolizó en un horno de mufla a 600 °C durante tres horas para obtener el material de biocarbón modificado con cobalto, Co-BC.

Antes de la electrodeposición, se usaba papel de lija de varias clases para pulir mecánicamente el sustrato de acero, comenzando con el papel grueso (grado 120) y llegando hasta el más fino (grado 800). Después de ser desengrasado en una solución de jabón durante diez minutos, el sustrato se sumergió en H2SO4 2,0 ​​M durante un minuto, se lavó con agua destilada y luego se puso directamente en el baño de electrodeposición. La Tabla 1 muestra las consideraciones de electrodeposición para crear un recubrimiento de Ni@BC y Ni@Co-BC sobre el sustrato de acero. La lámina de platino se utilizó como ánodo y se colocó separada del sustrato de acero, actuando como cátodo, a una distancia de 2,0 cm. Los recubrimientos de Ni@BC y Ni@Co-BC que se habían preparado se lavaron con agua destilada y se dejaron secar a temperatura ambiente durante la noche. Luego, los sustratos se colocaron en soluciones etanólicas que contenían ácido esteárico 1 × 10–2 M, SA, durante 15 minutos antes de secarlos en condiciones ambientales durante 24 h. Se aplicaron diferentes procedimientos de caracterización y evaluación al recubrimiento Ni@BC modificado con ácido esteárico, Ni@BC@SA, y al recubrimiento Ni@Co-BC modificado con ácido esteárico. Ni@Co-BC@SA.

Utilizando un espectrofotómetro infrarrojo por transformada de Fourier, FTIR, se examinó la composición química de la superficie (modelo: Bruker Tensor 37 FTIR). Se utilizó un difractómetro de rayos X para realizar un análisis de difracción de rayos X utilizando radiación monocromática Cu K (fáser Bruker D2). La topografía de la superficie de los recubrimientos SHP creados se examinó utilizando un microscopio electrónico de barrido, SEM (modelo JSM-200 IT, JEOL). La microscopía de fuerza atómica, AFM, se realizó mediante un microscopio de sonda de barrido (SPM9600, Shimadzu Japón). Utilizando un goniómetro de ángulo de contacto óptico, se calcularon la WCA y la WSA utilizando gotas de agua de 5 µl (instrumento CA Rame-hart, modelo 190-F2). Los valores de WCA y WSA que se muestran son los promedios de tres mediciones realizadas en distintas ubicaciones del sustrato.

Después de sumergirlas en soluciones con diferentes valores de pH (pH 1–13) durante 30 minutos, las películas SHP producidas se analizaron tanto para WCA como para WSA en cada pH 50,51. Para estudiar cómo la inmersión prolongada afecta la superhidrofobicidad de un recubrimiento, examinamos el rendimiento del recubrimiento en diferentes niveles de pH (3, 7 y 11) durante períodos de inmersión de 0,5, 2, 4 y 6 h. El valor del pH de la solución se modificó usando hidróxido de sodio y ácido sulfúrico.

La prueba de rayado se utilizó para evaluar las características de abrasión mecánica de los recubrimientos SHP. Se afectó una presión de 5,0 kPa en las muestras del recubrimiento SHP creado que se colocaron en papel de lija de malla 800. La WCA y la WSA se midieron por cada 10,0 cm de movimiento horizontal de la muestra de SHP producida. La resistencia a la abrasión mecánica que se ha presentado es una media de mediciones realizadas sobre dos muestras distintas.

Para las mediciones electroquímicas se utilizaron un analizador de respuesta de frecuencia ACM y una celda de tres electrodos (Reino Unido). El contraelectrodo fue una varilla de grafito, mientras que el electrodo de referencia fue un electrodo de Ag/AgCl. Los electrodos de trabajo estuvieron compuestos por acero desnudo y recubierto con películas SHP Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA. Los electrodos de trabajo se cubrieron con una capa de epoxi, dejando 1 cm2 abierto a la solución de prueba. El electrodo de trabajo se insertó en una celda llena de solución de NaCl 0,5 M durante 25 minutos a temperatura ambiente antes de las pruebas electroquímicas para lograr el potencial de reposo. Las observaciones de espectroscopía de impedancia electroquímica, EIS, tuvieron un rango de frecuencia de 0,01 ≤ f ≤ 1,0 × 104 y una amplitud de señal de 10 mV alrededor del potencial de circuito abierto. A una velocidad de escaneo de 30 mV/min, las mediciones de polarización potenciodinámica, PDP, se realizaron con un rango de potencial de −250 a +400 mV alrededor del potencial de circuito abierto. Para asegurarse de que las mediciones fueran precisas, los experimentos se verificaron dos veces y los resultados fueron correctos con un error del 2%.

El rendimiento antiincrustaciones se evaluó pesando diferentes muestras de acero revestido SHP sin revestir y preparadas y luego sumergiéndolas en una solución de NaHCO3 0,01 M y CaCl2 0,01 M a 60 °C durante un tiempo que oscilaba entre 2 y 20 h. Las muestras se secaron en condiciones ambientales y se volvieron a pesar. Se midieron el aumento de peso y la diferencia de peso antes y después de la inmersión en NaHCO3 0,01 M y CaCl2 0,01 M, lo que equivale a la tasa de incrustaciones formadas en la superficie del sustrato. El aumento de peso se debe a la deposición de CaCO3 en las muestras.

Se utilizó la humectabilidad de la superficie SHP preparada en varios intervalos de tiempo bajo irradiación UV (λ = 365 nm, 300 W) para probar su resistencia a los rayos UV. Cada dos horas se determinaron los valores de WCA. La lámpara UV y el revestimiento SHP permanecen separados unos 10 cm. Al analizar la misma muestra en cinco sitios separados, se calcularon los valores promedio.

Se utilizó el espectrofotómetro infrarrojo por transformada de Fourier, FTIR, para analizar la composición química de la superficie de las capas fabricadas. La Figura 1 muestra los espectros FTIR de acero recubierto con Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA. Los espectros del acero procesado con Ni@BC@SA tienen grandes picos de absorción a 3278 cm-1, que son los modos de vibración de estiramiento del grupo –OH52. La vibración asimétrica y simétrica del ácido esteárico –CH2– se atribuye a los picos en 2856 cm−1 y 2922 cm−1, respectivamente53. El hombro cerca de 1579 cm-1 coincidió con la vibración de estiramiento de C=O y C=C36. La vibración del fenol de flexión O – H o de estiramiento C – O es responsable del pico en 1342 cm-138. La vibración de flexión de –C–OH es responsable del pico a 1083 cm-138. Ni(OH)2 corresponde al pico en 716 cm-132. Los espectros del acero recubierto con Ni@Co-BC@SA exhiben los mismos picos que los de Ni@BC@SA con un pico adicional a 471 cm−1, que se atribuye a Co3O454,55.

Espectros FTIR de acero recubierto por Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA.

Se utilizó la técnica XRD para determinar la orientación de los cristales y la composición del acero injertado con recubrimientos Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA SHP. La Figura 2 muestra los patrones XRD de varios recubrimientos preparados. La capa de Ni @BC@SA exhibe 5 picos de difracción en su patrón XRD. Los cuatro picos en valores de 2Ɵ equivalen a 42,8°, 53,1°, 73,3° y 89,9° y están relacionados con la cara cúbica centrada, fcc, de Ni (JCPDS NO. 04-0831). El pico XRD en valores de 2Ɵ equivale a 28,9° y corresponde al biocarbón56,57.

Patrones XRD del acero recubierto SHP con Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA.

Mientras que el patrón XRD del compuesto Ni@Co-BC@SA demostró los mismos picos del Ni @BC@SA con una intensidad más baja y otros picos nuevos a 46,2°, 56,4° y 78,5° que se refieren a la cara centrada. -cobalto cúbico58. Los picos XRD del acero recubierto con Ni@Co-BC@SA son amplios, lo que muestra que las estructuras depositadas tienen partículas de pequeño tamaño.

Una de las cosas más importantes a tener en cuenta al analizar las características de SHP es la morfología de la superficie, por lo que la topografía de los recubrimientos de SHP producidos sobre el sustrato de acero se investigó utilizando la técnica SEM. En la Fig. 3a se muestra una micrografía de acero recubierto con Ni@BC@SA; es obvio que las estructuras formadas contienen partículas con un diámetro de solo unos pocos nanómetros. Algunas de las nanopartículas producen partículas agregadas más grandes. La Figura 3b muestra una micrografía de acero injertado con una película de Ni@Co-BC@SA. La figura demuestra que las estructuras depositadas contienen nanopartículas circulares más pequeñas que las películas de Ni@BC@SA. Aparentemente, el Co podría actuar como un sitio de nucleación y acelerar el proceso de nucleación en lugar del crecimiento del cristal, razón por la cual el recubrimiento Ni@Co-BC@SA contiene nanopartículas más pequeñas59,60. Por lo tanto, el Ni@Co-BC@SA exhibe una mayor superhidrofobicidad debido a su mayor rugosidad superficial. Las escamas transparentes de las capas de BC se ven claramente, especialmente en el caso de Ni@Co-BC@SA.

Micrografías SEM del acero recubierto de SHP con (a) Ni@BC@SA y (b) Ni@Co-BC@SA.

Se midieron los WCA y WSA para determinar el comportamiento de humectabilidad de los recubrimientos SHP construidos. Las películas Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA tienen valores WCA de 161° y 165°, respectivamente, mientras que ambas películas tienen valores WSA de 3,0° y 1,0°. Estos hallazgos sugieren que el Co promueve la superhidrofobicidad y la rugosidad. El aire que se puede almacenar en las nanoestructuras evita eficazmente que el agua toque la superficie61. Además, el acero recubierto de Ni@Co-BC@SA tiene una humectabilidad avanzada a numerosos valores documentados anteriormente62,63,64,65.

La rugosidad de la superficie del acero desnudo y recubierto con SHP se caracterizó adicionalmente utilizando el AFM. Según la imagen 3D AFM, Fig. 4a, la rugosidad promedio aritmética del acero desnudo, Ra, fue de 0,34 µm. Para el acero recubierto con SHP por Ni@BC@SA, el valor Ra aumentó a 1,60 µm, lo que muestra que la capa depositada aumenta la rugosidad de la superficie del acero, Fig. 4b. La Figura 4c muestra que el valor Ra para el acero recubierto SHP con Ni@Co-BC@SA aumentó a 2,21 µm, lo que puede atribuirse al dopaje de BC con cobalto, que aumenta significativamente la rugosidad de la superficie del acero.

Imágenes de topografía AFM 3D de la superficie de (a) acero desnudo y recubierto con SHP con (b) Ni @BC@SA y (c) Ni@Co-BC@SA.

Para demostrar que la película SHP creada puede utilizarse en el sector industrial, se debe realizar una prueba de estabilidad química. Las correlaciones entre el pH y los WCA y WSA de las gotas de agua en los recubrimientos SHP producidos se muestran en la Fig. 5. La Figura 5a muestra que las películas de Ni@BC@SA son SHP entre valores de pH de 3 y 11, mientras que la Fig. 5b muestra que las películas de Ni@Co-BC@SA son SHP entre valores de pH de 2 y 12, donde los WCA son frecuentemente mayores a 150° y los WSA son menores a 10°. Como resultado, la incorporación de Co al BC mejora la estabilidad química del recubrimiento SHP en ambientes tanto básicos como ácidos. Para investigar el efecto del tiempo de inmersión prolongado del recubrimiento sobre su superhidrofobicidad, medimos el WCA de un recubrimiento en diferentes valores de pH (3, 7 y 11) en diferentes tiempos de inmersión de 0,5, 2, 4 y 6 h, Fig. 6. Los resultados muestran que, a pH 7, el acero recubierto con Ni@BC@SA conserva sus características superhidrofóbicas en todos los períodos de inmersión examinados donde el WCA es siempre superior a 150°, mientras que para pH 3, el recubrimiento conserva la superhidrofobicidad hasta el momento de la inmersión. de 2 h, y finalmente para pH 11, la capa conserva la superhidrofobicidad hasta un tiempo de inmersión de 0,5 h. Mientras que el acero recubierto con Ni@Co-BC@SA conserva sus características superhidrófobas a diferentes pH hasta un tiempo de inmersión de 6 h (el tiempo de inmersión máximo examinado). El acero SHP recubierto con Ni@Co-BC@SA tiene mayor estabilidad química que varios valores previamente conocidos62,66.

El cambio en el pH de la solución con el ángulo de contacto con el agua y el ángulo de deslizamiento del agua del acero recubierto por (a) Ni@BC@SA y (b) Ni@Co-BC@SA.

El cambio en el pH de la solución con el ángulo de contacto con el agua en diferentes tiempos de inmersión del acero recubierto por (a) Ni@BC@SA y (b) Ni@Co-BC@SA.

La abrasión mecánica puede dañar las superficies del SHP. Incluso cuando se tocan con el dedo, algunas superficies de SHP pueden agrietarse67. El objetivo principal ahora es mejorar la resistencia a la abrasión de los recubrimientos SHP para que puedan usarse en el sector industrial68. Las películas SHP preparadas se sometieron a pruebas de abrasión para determinar su resistencia a la abrasión mecánica. La Figura 7 muestra cómo la longitud de abrasión afecta los cambios en WCA y WSA de las películas SHP preparadas.

Cambio de WCA y WSA con la longitud de abrasión para acero recubierto con (a) Ni@BC@SA y (b) Ni@Co-BC@SA.

La película Ni@BC@SA SHP preparada conserva su propiedad SHP hasta una longitud de abrasión de 500 mm. Mientras que la película Ni@Co-BC@SA SHP preparada conserva su propiedad SHP hasta una longitud de abrasión de 900 mm. Estos hallazgos mostraron que agregar Co a la película basada en SHP BC desarrollada aumentó en gran medida su estabilidad mecánica. El acero recubierto con Ni@Co-BC@SA tiene mayor resistencia a la abrasión que varios valores previamente conocidos69,70,71,72.

La durabilidad de la muestra de SHP se investiga mediante almacenamiento en una atmósfera ambiente. Después de tres meses de almacenamiento al aire, los valores de los WCA de las películas Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA son 151° y 158°, y los WSA son 9° y 5°, respectivamente. Estos hallazgos muestran que las películas SHP producidas demuestran estabilidad y durabilidad a largo plazo y son estables en el aire.

La técnica PDP ha sido utilizada para examinar el comportamiento de corrosión del acero desnudo y recubierto con SHP por Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA. La Figura 8 muestra los gráficos de PDP de acero sin recubrimiento y recubierto con SHP en una solución acuosa de NaCl 0,5 M. La reacción de reducción de oxígeno está representada por corrientes de difusión limitantes en las curvas de polarización catódica, ecuación. (1)73.

El PDP representa el acero desnudo y el acero revestido SHP en una solución de NaCl 0,5 M.

Por lo tanto, el proceso catódico está controlado por la difusión del gas oxígeno desde la masa hasta la superficie del electrodo. El desarrollo de un área anódica ideal de Tafel se ve obstaculizado por la rápida generación de productos de corrosión en la superficie del electrodo del acero desnudo, o por el desarrollo de una capa pasiva cuando el acero se trata con un recubrimiento SHP74,75.

Los parámetros de PDP, incluido el potencial de corrosión (Ecorr), la densidad de corriente de corrosión (icorr) y la eficiencia de protección (% P) del acero desnudo y recubierto con SHP, se muestran en la Tabla 2. La eficiencia de protección se calculó utilizando la ecuación. (2)76.

donde, io. y i son la densidad de corriente de corrosión del acero desnudo y recubierto con SHP. Debido a las propiedades SHP del acero revestido, el icorr. El valor para el acero revestido con Ni @BC@SA es menor que el del acero desnudo. El aire atrapado en las microestructuras de recubrimiento SHP puede reducir el área de contacto entre el acero y la solución, lo que provoca una disminución más rápida en el valor icorr77. El dopaje del biocarbón con cobalto mejora la propiedad del recubrimiento SHP y conduce a una mayor reducción en el área de contacto del medio y el acero. Por tanto, el acero recubierto con Ni@Co-BC@SA tiene una mayor eficacia protectora que el acero recubierto con Ni@BC@SA.

La Figura 9 muestra los gráficos de Nyquist y Bode de acero sin revestimiento y con revestimiento SHP en una solución de NaCl 0,5 M. Los gráficos de Nyquist, Fig. 9a, exhiben un semicírculo capacitivo deprimido a alta frecuencia y una cola de difusión a baja frecuencia. La reacción de transferencia de carga interfacial es lo que causa el semicírculo capacitivo deprimido de los gráficos de Nyquist en altas frecuencias78,79. El transporte de masa es responsable de la cola de difusión a bajas frecuencias. Estos resultados indican que la existencia de una capa protectora SHP es la razón por la cual el acero recubierto con Ni@BC@SA exhibe una resistencia a la transferencia de carga superior que el acero desnudo. El acero recubierto con Ni@Co-BC@SA muestra el semicírculo capacitivo más alto, lo que indica que ofrece el mayor grado de protección. El dopaje del biocarbón con cobalto mejora la superhidrofobicidad y, por lo tanto, la capa de Ni@Co-BC@SA se vuelve más efectiva para restringir la transferencia de especies corrosivas como Cl- y H2O a la superficie del metal de acero.

(a) Gráficos de Nyquist, (b) Bode y (c) Theta de acero desnudo y recubierto con SHP en solución de NaCl 0,5 M.

El acero revestido con SHP fabricado en una solución de NaCl 0,5 M muestra una mayor impedancia a baja frecuencia en los diagramas de Bode que el acero desnudo, como se muestra en la Fig. 9b. Esto confirma que el sustrato de acero está protegido por los recubrimientos SHP creados. Se muestran dos constantes de tiempo en frecuencias bajas e intermedias en el gráfico del ángulo de fase, Fig. 9c. Los productos de corrosión no protectores del acero desnudo o del revestimiento protector SHP fueron los responsables de la constante de tiempo que apareció en la región de baja frecuencia. La doble capa eléctrica fue responsable de la constante de tiempo que apareció en la frecuencia moderada80,81,82.

Se empleó el circuito equivalente representado en la Fig. 10 para ajustar los resultados experimentales de EIS y se usó el programa Zsimpwin para determinar los parámetros de impedancia. Los componentes del circuito equivalente son; resistencia de transferencia de carga, Rct, elemento de fase constante de doble capa, CPEdl, resistencia de solución, Rs y elemento de Warburg. W. Se utilizó la ecuación (3) para determinar la eficiencia de la protección76:

El modelo de circuito equivalente.

Rcto y Rct son la resistencia a la transferencia de carga para el acero desnudo y recubierto con SHP. Los parámetros de impedancia alcanzados se muestran en la Tabla 3. Como es obvio, cada uno de Rct y %P del acero desnudo

Sobre la superficie desnuda del acero, las moléculas de agua pueden adsorberse fácilmente. El acero sin recubrimiento también puede sufrir una corrosión severa debido a que los iones de cloruro se adhieren a la superficie y forman [FeClOH]-. Como resultado, el proceso de corrosión puede iniciarse simplemente cuando los iones Cl- y el agua entran en contacto con la superficie del metal86.

Por otro lado, el acero que ha sido recubierto con películas SHP tiene una nanoestructura a la que se le ha adsorbido material hidrofóbico. Los agujeros entre los picos de la superficie rugosa se llenan fácilmente de aire. Debido al efecto obstructivo del aire atrapado, las especies de iones agresivos en ambientes corrosivos, como el Cl-, rara vez pueden atacar la superficie subyacente10,86,87. También se demostró que la superficie SHP en soluciones neutras está cargada negativamente. Según los informes, la presencia de grupos funcionales electronegativos le da al biocarbón un valor de potencial zeta negativo88,89,90. La carga negativa de una superficie SHP basada en biocarbón provocó una caída en la cantidad de anión Cl− presente cerca de una superficie sólida, lo que aumentó la resistencia a la corrosión10. También se ha informado que las nanopartículas de óxido de cobalto tienen un valor de potencial zeta negativo91,92,93. Por lo tanto, el acero recubierto con Ni@Co-BC@SA tiene una mayor resistencia a la corrosión que el recubrimiento SHP Ni@BC@SA.

El peso ganado de CaCO3 en la superficie del sustrato se utiliza para probar la capacidad de un sustrato determinado para suprimir la formación de incrustaciones y la adherencia al mismo. La Figura 11 muestra el aumento de peso de CaCO3 (mg/cm2) del acero desnudo y del acero recubierto SHP cada 2 h hasta las 20 h de inmersión en una solución de NaHCO3 0,01 M y CaCl2 0,01 M a 60 °C. La Figura muestra que el acero desnudo tiene un valor de ganancia de peso mayor que el acero recubierto con Ni@BC@SA. Por lo tanto, el acero recubierto con SHP preparado tiene una menor tasa de formación de incrustaciones debido a la energía superficial intrínsecamente baja del ácido esteárico, así como a las bolsas de aire entre las nanoestructuras94. El acero recubierto con Ni–Co @BC@SA tiene el valor de ganancia de peso más bajo debido a su mayor superhidrofobicidad, una mayor cantidad de aire queda atrapada entre las nanoestructuras. El aumento de peso en todos los casos con un tiempo de inmersión bajo aumenta linealmente con el tiempo de inmersión, pero con un tiempo de inmersión alto se alcanza una meseta. Para calcular la eficiencia de inhibición de incrustaciones (% SI), la ecuación. (4) se utilizó:

donde Wo y W son el peso ganado por los sustratos desnudos y recubiertos con SHP. La Tabla 4 muestra los valores de W, Wo y % SI para el acero desnudo y recubierto con SHP por Ni @BC@SA y Ni@Co-BC@SA. Los valores de Wo y W se tomaron a las 20 h de inmersión.

La variación del peso de CaCO3 en el acero desnudo y el acero recubierto con SHP con el tiempo de inmersión.

Se utilizó SEM para examinar la morfología de la cristalización de CaCO3 en la superficie de acero no recubierto y recubierto con SHP. Según la Fig. 12, los cristales rómbicos sobre acero desnudo representan en su mayoría la forma de la escala de CaCO3, esto es consistente con la forma relativamente estable de la calcita ordinaria CaCO395. Sin embargo, en el recubrimiento SHP producido, la forma de la escama cambió claramente de cristales rómbicos a estructuras en forma de agujas, que son menos estables y se adhieren mal a las superficies95.

Morfología de las escamas en (a) acero desnudo y acero recubierto SHP por (b) Ni@BC@SA y (c) Ni@Co-BC@SA.

Se aislaron las escamas formadas en el acero desnudo y en el acero recubierto con SHP y se examinó su estructura cristalina utilizando la técnica XRD, Fig. 13. Los resultados muestran que las escamas formadas en el sustrato de acero desnudo están compuestas principalmente de calcita, como lo indica la presencia de picos en 2θ equivale a 23,5, 29,4, 35,7, 39,2, 42,9, 46,9, 47,8, 56,7, 59,8 y 63,5 grados. Esto es consistente con la formación de incrustaciones de carbonato de calcio en condiciones típicas de corrosión. Por otro lado, la incrustación formada en el acero recubierto superhidrófobo por Ni@BC@SA compuesta principalmente de vaterita, como lo indica la presencia de picos en 2θ es igual a 20,3, 24,7, 26,6, 32,6, 38,9, 43,8, 50,1, 55,9. , 60,4 y 63,6 grados. La vaterita es una forma menos estable de carbonato de calcio en comparación con la calcita. La presencia de vaterita sugiere que el recubrimiento superhidrófobo puede haber influido en la nucleación y el crecimiento de las incrustaciones de carbonato de calcio en la superficie del acero recubierto. Los picos de XRD observados para el acero con revestimiento superhidrófobo por Ni@Co-BC@SA mostraron picos similares a los observados para el acero con revestimiento superhidrófobo por Ni@BC@SA pero con menor intensidad. Esto sugiere que la adición de cobalto al recubrimiento a base de biocarbón no alteró significativamente la composición de las incrustaciones de carbonato de calcio formadas en la superficie del acero revestido, pero disminuye la tasa de formación de incrustaciones96,97,98.

Patrones XRD de las escamas en acero desnudo y acero recubierto SHP por Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA.

La propiedad intrínseca de los propios materiales SHP determina en gran medida la resistencia a los rayos UV99. La fabricación de recubrimientos con resistencia a los rayos UV es una preocupación crucial para las aplicaciones en exteriores. Una superficie SHP puede tener una larga estabilidad a los rayos UV sin perder la propiedad SHP cuando se realiza una elección adecuada de los materiales. La Figura 14 demuestra el impacto del tiempo de irradiación UV en el WCA del acero recubierto SHP por Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA. El acero recubierto con SHP de Ni@BC@SA tiene una estabilidad UV de hasta 65 h mientras que el acero recubierto con acero de Ni@Co-BC@SA tiene una estabilidad UV de hasta 95 h. El acero recubierto SHP de Ni@Co-BC@SA tiene mayor estabilidad UV que varios valores previamente conocidos100,101,102,103.

Efecto del tiempo de irradiación UV sobre el WCA del acero recubierto SHP por Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA.

El biocarbón se produjo a partir de paja de arroz, una fuente de biomasa respetuosa con el medio ambiente, y se utilizó para crear revestimientos superhidrófobos de Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA sobre un sustrato de acero. El dopaje del biocarbón con cobalto aumenta la superhidrofobicidad del recubrimiento.

El recubrimiento de Ni@BC@SA retiene la superhidrofobicidad en el rango de pH de 3 a 11, mientras que el recubrimiento de Ni@Co-BC@SA retiene la superhidrofobicidad en el rango de pH de 2 a 12. Además, el recubrimiento Ni@BC@SA creado demuestra superhidrofobicidad hasta una longitud de abrasión de 500 mm, mientras que el recubrimiento Ni@Co-BC@SA exhibe superhidrofobicidad hasta una longitud de abrasión de 900 mm.

Según los hallazgos del PDP, la densidad de la corriente de corrosión se reduce significativamente cuando el acero se recubre con un recubrimiento SHP, lo que también da como resultado una velocidad de corrosión significativamente reducida. Esto lo confirman aún más los resultados del EIS. La eficiencia de inhibición de incrustaciones para acero recubierto con Ni@BC@SA y Ni@Co-BC@SA es 30,26 y 51,32%, respectivamente. En términos de estabilidad UV, el acero recubierto con Ni@Co-BC@SA permanece estable hasta por 95 h, mientras que el acero recubierto SHP con Ni@BC@SA permanece estable hasta por 65 h.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiación del sector público, comercial o sin fines de lucro.

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Alejandría, Alejandría, Egipto

ME Mohamed, O. Adel y E. Khamis

Facultad de Ciencias Básicas Avanzadas, Universidad Internacional Alamein, Ciudad de Alamein, Gobernación de Matrouh, Egipto

YO Mohamed

Universidad Egipcia Rusa, Badr, Egipto

E. jueves

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MEM: Redacción: revisión y edición, Metodología, Supervisión, Conservación de datos y Redacción: borrador original. OA: Metodología, curación de datos y redacción: revisión y edición. EK: Escritura: revisión y edición, supervisión, discusión y validación. Al final, este manuscrito ha resultado de la colaboración de todos los autores.

Correspondencia al ME Mohamed.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Mohamed, ME, Adel, O. y Khamis, E. Fabricación de revestimiento superhidrófobo a base de biocarbón sobre sustrato de acero y su rendimiento de resistencia a los rayos UV, antical y a la corrosión. Representante científico 13, 9453 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36589-0

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Recibido: 12 de enero de 2023

Aceptado: 06 de junio de 2023

Publicado: 10 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36589-0

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