Fibras de carbono activado recubiertas con nano-pelos de Ag de alto rendimiento mediante auto-ensamblaje y recocido térmico rápido

Resumen

Los nanomateriales anisotrópicos modificados en fibras de carbono emergen como alternativas superiores a compuestos convencionales. Aquí reportamos la fabricación de fibras de carbono activado (ACF) densamente decoradas con nano-pelos de plata usando un enfoque de auto-ensamblaje fácil seguido de recocido térmico rápido. Fibras de viscosa se impregnaron primero con nanopartículas de plata (AgNP) recubiertas con poli(amino-amina) hiperramificado (HBPAA), que proporcionaron atracción electrostática y mediación de grupos amino para recubrimiento monodisperso. La subsecuente pre-oxidación y carbonización en horno de extremos abiertos produjeron ACF que liberaron espontáneamente Ag líquido de sus poros, el cual se solidificó en nanohilos tras enfriamiento rápido. FESEM confirmó presencia de nano-pelos de Ag creciendo desde poros de ACF; XPS y XRD demostraron que la plata permaneció metálica tras tratamiento a alta temperatura, y TGA mostró que la estabilidad térmica se preservó. Las ACF recubiertas con nano-pelos de Ag resultantes exhibieron actividad antibacteriana robusta y duradera contra Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Este trabajo ofrece ruta escalable para diseñar fibras de carbono activado funcionalizadas con nanohilos metálicos con aplicaciones potenciales en filtración, catálisis, y textiles antimicrobianos.

Antecedentes

Las fibras de carbono (FC) se definen como fibras conteniendo al menos 92 % carbono en peso y típicamente derivan de precursores poliméricos como poliacrilonitrilo (PAN), brea, celulosa, lignina, y polietileno [1,2]. PAN ha permanecido largo tiempo como precursor más usado por su excelente hilabilidad y alto rendimiento de carbono, yet el alto costo de producción aún limita despliegue a gran escala. Las fibras de carbono activado derivadas de celulosa (ACF) presentan alternativa convincente de bajo costo: su microestructura porosa brinda áreas superficiales específicas de 1.000–1.500 m² g⁻¹ y millones de microporos de 1-4 nm, dándoles rendimiento de adsorción superior comparado con carbón activado convencional [3-5].

La nanotecnología ha acelerado la integración de nanomateriales inorgánicos con sustratos de carbono, desbloqueando propiedades sinérgicas que superan a cada componente solo [6,7]. Por ejemplo, FC decoradas con nanopartículas de Ag (AgNP) han demostrado aumento cuádruple en fotoreducción fotocatalítica de CO₂ a CH₃OH, atribuido a adsorción mejorada de CO₂ y transferencia de electrones [1]. Asimismo, nanopartículas de CoSe₂ depositadas en FC tridimensionales han producido electrocatalizadores altamente activos y estables para evolución de hidrógeno en medios ácidos [8]. Sin embargo, la mayoría de nanomateriales inorgánicos son esféricos; estructuras anisotrópicas como nanohilos, nano láminas, y puntos cuánticos son cada vez más buscadas porque pueden impartir conductividad direccional, resonancia de plasmon de superficie, e interbloqueo mecánico [9].

En este trabajo, diseñamos ACF "gruesamente sobrecrecidas" por nano-pelos de Ag a través de ruta de auto-ensamblaje seguida de recocido térmico rápido. AgNPs modificadas con HBPAA se sintetizaron vía reducción hidrotérmica en plantilla HBPAA. Actuando como pegamento molecular, HBPAA permitió AgNPs cargadas positivamente auto-ensamblarse uniformemente sobre viscosa de celulosa mediante atracción electrostática y enlaces de hidrógeno. Las VFs recubiertas con AgNP resultantes se sometieron a pre-oxidación y carbonización en horno de extremos abiertos sellado por llamas de alta temperatura en entrada y salida. El enfriamiento rápido al salir disparó extrusión capilar de Ag fundido desde poros de ACF, que se solidificó en nanohilos que sobresalían de la superficie de la fibra.

Métodos

Preparación de ACF con nano-pelos de Ag

Primero sintetizamos AgNPs recubiertas con HBPAA como se describe en nuestro trabajo previo [10]. Fibras de viscosa (2 g) se sumergieron en solución 4.000 mg L⁻¹ AgNP a 98 °C durante 3 h para permitir auto-ensamblaje sobre superficie de fibra. Tras secado en horno y almacenamiento en oscuridad, las fibras recubiertas se sometieron a tratamiento térmico en dos pasos: (i) oxidación a 350 °C en atmósfera de vapor de agua para formar polímeros tipo escalera, y (ii) carbonización hasta 850 °C bajo gas inerte para producir carbono turbostrático. El horno fue deliberadamente de extremos abiertos y sellado por llamas en ambos extremos, permitiendo que las fibras salieran de la cámara a temperatura ambiente, paso clave para la contracción rápida que impulsa extrusión de Ag líquido.

Mediciones

Morfología y distribución elemental se examinaron por FESEM (S-4200, Hitachi) equipado con EDS. Química de superficie se sondeó por XPS (ESCALAB 250 XI, Thermo Scientific) y XRD (D8 ADVANCE, Bruker). Comportamiento térmico se evaluó via TGA (TG 209 F3 Tarsus, Netzsch). Actividad antimicrobiana contra E. coli y S. aureus se evaluó usando método de matraz agitado (GB/T 20944.3-2008).

Resultados y Discusión

La estrategia de auto-ensamblaje y recocido térmico rápido produjo ACF densamente cubiertas con nano-pelos de Ag, como ilustra Fig. 1. Imágenes FESEM (Fig. 2) revelaron que VFs prístinas poseían surcos longitudinales lisos, mientras VFs recubiertas con AgNP mostraban partículas blancas brillantes monodispersas (3-80 nm) que retenían morfología de surcos. Tras carbonización, las fibras se volvieron difusas y portaron nanohilos de forma irregular (~50 nm) sobresaliendo de la superficie, confirmando que AgNPs se transformaron en nanohilos.

FESEM transversal (Fig. 3) mostró que tanto ACF puras como ACF con nano-pelos de Ag contenían poros abundantes. En estas últimas, nanohilos de Ag aparecían creciendo desde bocas de poros, con un extremo anclado en el poro, sugiriendo mecanismo de crecimiento impulsado por infiltración capilar de Ag fundido en poros y solidificación rápida al enfriar. El punto de fusión de AgNPs 10-20 nm (~129 °C) permite licuefacción a temperatura de carbonización (850 °C), y el diseño de horno sellado por llamas de alta temperatura asegura enfriamiento rápido, que exprime Ag fundido fuera de poros como nanohilos.

Análisis EDS (Fig. 4) detectó señales fuertes de Ag además de C y O, confirmando presencia de plata. XRD (Fig. 6) mostró picos característicos de Ag cúbico centrado en caras (111, 200, 220, 311) en ACF con nano-pelos de Ag, indicando que plata permaneció metálica tras tratamiento a alta temperatura. XPS (Fig. 7) reveló energías de enlace Ag 3d de 373,9 eV y 367,9 eV, consistentes con Ag metálico. La relación C/O aumentó tras carbonización, reflejando remoción de grupos conteniendo oxígeno y generación de reductores CO/CH₄ que probablemente redujeron Ag oxidado a forma metálica.

Análisis termogravimétrico (Fig. 8) demostró que ACF con nano-pelos de Ag retuvieron excelente estabilidad térmica, con solo 8,4 % pérdida de peso hasta 1.000 °C. La presencia de HBPAA en superficie de fibra actuó como capa protectora, retrasando descomposición durante oxidación. El rendimiento térmico de ACF con nano-pelos de Ag igualó al de ACF prístinas, confirmando que recubrimiento Ag no comprometió integridad estructural.

Pruebas antibacterianas (Tabla 1) mostraron que ACF con nano-pelos de Ag lograron >99 % inhibición contra E. coli y S. aureus, incluso tras 30 lavados ultrasónicos. La actividad duradera se atribuye al fuerte interbloqueo mecánico entre nano-pelos de Ag y matriz porosa de ACF, previniendo lixiviación de nanopartículas de Ag.

La Tabla 1 resume actividad antibacteriana.

Conclusiones

En resumen, hemos desarrollado método escalable para fabricar fibras de carbono activado recubiertas con nano-pelos de Ag combinando auto-ensamblaje mediado por HBPAA con horno de enfriamiento rápido de extremos abiertos. Las fibras resultantes exhiben red densa de nanohilos de plata metálica firmemente incrustados en matriz de carbono poroso, dotando al material de excelente estabilidad térmica y notable rendimiento antibacteriano duradero. Este enfoque provee plataforma versátil para integrar nanoestructuras metálicas anisotrópicas en fibras de carbono activado para aplicaciones desde filtración hasta textiles antimicrobianos.