At least 50% of the wastewater from human activities is discharged into the environment without treatment, a practice that compromises the human right to access clean water and sanitation. Microbial fuel cells (MFCs) are devices capable of converting chemical energy into electrical energy through electrochemical reactions, using the electrosynthesis of microorganisms. In this work, a device composed of two chambers is proposed. Biodigester effluent is used as an anolyte and oxidation of organic components is perfomed by bacteria at the electrode surface in the anodic chamber, while the reduction of heavy metals from industrial wastewater takes place in the cathodic chamber. The proposed MFC can simultaneously reduce the load of pollutants in agricultural and metallurgic wastewater and produce renewable energy. The objective of this study is to determine the effect of coating the graphite electrodes in the cathodic and anodic chamber with carbon nanomaterials, including graphene and a seamless hybrid of graphene and carbon nanotubes, both materials obtained by chemical vapour deposition. The nanostructured electrodes provide a larger surface area and increased electron transfer rates to improve the performance of bioelectricity generation. This work improves the comprehension of bioelectrochemical phenomena occurring in biofilm-based microbial devices and analyzes how the electrode surface structure can tune the charge transfer efficiency at the interface of living organism and carbon electrodes.

En este proyecto se sintetiza un híbribo sin costuras de grafeno y nanotubos de carbono por deposición química de vapores (CVD) en las instalaciones del Instituto Tecnológico. Esta metodología de síntesis fue desarrollada inicialmente en el Laboratorio del Dr. Ashok Mulchandani de la Universidad de California Riverside, donde la Dra. Villarreal hizo su doctorado, y posteriormente fueron adaptadas a las capacidades de equipo de Costa Rica. El principal cambio realizado a la metodología está en la deposición de las nanopartículas catalíticas sobre grafeno para el crecimiento de los CNTs, que en UC Riverside se realizaba por evaporación por haz de electrones, un equipo costoso y que se debe mantener en atmósferas controladas. El grupo de Biotrónica cambió esta etapa por pirolisis por aspersión, una técnica que utiliza un aspersor a presión y deposita sobre grafeno caliente una solución de sales de Ni o Fe, simplificando el proceso y haciéndolo más accesible a regiones con menos recursos.

Se sintetizó exitosamente grafeno de pocas capas por CVD, aproximadamente 5 capas, lo cual se comprobó por espectroscopía Raman y microscopía TEM, logrando una resolución atómica de la red hexagonal del grafeno y de las 5 capas atómicas. Las nanopartículas de Fe y Ni se depositaron por pirolisis por aspersión y observaron por TEM y AFM con diámetros de decenas de nanómetros, y se obtuvieron difracciones de electrones que permiten identificar posibles compuestos de óxidos de Fe y Ni que se formaron. El grafeno con NPs catalíticas se utilizó para crecer por CVD los CNTs y se lograron observar nanotubos de diferente morfología y punta cerrada, que crecían a partir de las nanopartículas. En ambos casos se produjeron CNTs multicapa, los de Fe son curvos con diámetros de 13 nm y 11 capas en promedio, mientras que los de Ni son rectos con diámetros de 8 nm y 9 capas en promedio. Este material se aplicó para baterías de aluminio y se obtuvieron celdas con un voltaje cercano a 1V. Se proponen experimentos para variar las propiedades de los CNT y mejorar el desempeño de la batería.

En este proyecto, se sintetizan nanobarras de TiO2 en un sustrato de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) mediante un método hidrotermal utilizando TBOT, H2O y HCl como precursor de titanio, fuente de oxígeno e inhibidores, respectivamente. Además, se realiza un proceso de optimización de las variables del proceso de síntesis para poder obtener un mayor espaciamiento entre nanobarras para así mejorar el funcionamiento de las celdas biofotovoltaicas. Por lo que las nanobarras sintetizadas se caracterizan por difracción de rayos X (XRD) para así confirmar la presencia de nanobarras de anatasa TiO2. Además, se realizan un análisis con microscopio electrónico de barrido (SEM) para estudiar la morfología de la superficie de las muestras, y también por medio de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para así determinar la longitud de las nanobarras.