Repositorio Digital - Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales
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Hierarchical carbonaceous materials derived from spent coffee grounds for application in supercapacitors
No full textEl uso de residuos de posos de café usados para la obtención de carbones activados por carbonización hidrotermal no ha sido abordado de manera sistemática en la literatura, lo que sumado a la necesidad de mejorar los sistemas de almacenamiento de energía, requiere estudios sistemáticos de estos procesos. Aquí obtuvimos carbones activados con porosidad jerárquica a partir de biomasa mediante carbonización hidrotermal y activaciones químicas. Analizamos el efecto del tiempo y la temperatura de la carbonización hidrotermal de posos de café para obtener un alto grado de carbonización y mejores rendimientos de reacción. En cuanto a la porosidad, utilizamos tres directores estructurales para obtener una distribución jerárquica de poros. En cuanto al desarrollo de materiales, Los análisis termogravimétricos y elementales confirmaron que la carbonización hidrotermal a 250 °C durante 6 h produjo mucho más material carbonizado, mientras que a 200 °C durante 6 h se logró un mayor rendimiento de la reacción. También caracterizamos los carbones activados mediante isotermas y micrografías SEM para asegurar la porosidad y el área superficial requerida para obtener una distribución jerárquica de poros en todos los materiales sintetizados. Asimismo, evaluamos su comportamiento como electrodos para supercondensadores obteniendo una mejor capacitancia específica con el carbón obtenido por activación con hidróxido de potasio (KOH). También caracterizamos los carbones activados mediante isotermas y micrografías SEM para asegurar la porosidad y el área superficial requerida para obtener una distribución jerárquica de poros en todos los materiales sintetizados. Asimismo, evaluamos su comportamiento como electrodos para supercondensadores obteniendo una mejor capacitancia específica con el carbón obtenido por activación con hidróxido de potasio (KOH). También caracterizamos los carbones activados mediante isotermas y micrografías SEM para asegurar la porosidad y el área superficial requerida para obtener una distribución jerárquica de poros en todos los materiales sintetizados. Asimismo, evaluamos su comportamiento como electrodos para supercondensadores obteniendo una mejor capacitancia específica con el carbón obtenido por activación con hidróxido de potasio (KOH).The use of spent coffee grounds residues to obtain activated carbons by hydrothermal carbonization has not been approached in a systematic way in the literature, which, added to the need for improved energy storage systems, requires systematic studies of these processes. Here we obtained activated carbons with hierarchical porosity from biomass through hydrothermal carbonization and chemical activations. We analyzed the effect of the time and temperature of the hydrothermal carbonization of spent coffee grounds to obtain a high degree of carbonization and better reaction yields. As for the porosity, we used three structural directors to obtain a hierarchical pore distribution. Regarding the development of materials, the thermogravimetric and elemental analyses confirmed that hydrothermal carbonization at 250 °C for 6 h yielded much more carbonized material while at 200 °C for 6 h, a higher reaction performance was achieved. We also characterized the activated coals by isotherms and SEM micrographs to ensure the porosity and surface area required for obtaining a hierarchical distribution of pores in all the synthesized materials. Likewise, we evaluated their behavior as electrodes for supercapacitors obtaining a better specific capacitance with the carbon obtained by activation with potassium hydroxide (KOH)
Rare-earth ferrobismuthites: ferromagnetic ceramic semiconductors with applicability in spintronic devices
No full textSe reporta el proceso de síntesis del material complejo de tipo perovskita Bi0.5R0.5FeO3 (R=Eu, Sm, Dy) mediante el método cerámico, así como su caracterización estructural, óptica, magnética y eléctrica. Los datos refinados de difracción de rayos X revelaron que este material cristaliza en una estructura ortorrómbica (grupo espacial Pnma número 62). La respuesta óptica en la curva de espectroscopia de reflectancia difusa proporcionó un valor de brecha energética típico de los materiales semiconductores. La magnetización presentó un comportamiento histerético de campo coercitivo muy bajo característico del ferromagnetismo débil, para todas las temperaturas examinadas por debajo de 300 K y la aplicación de varios campos magnéticos. Las curvas de permitividad eléctrica real y compleja evidenciaron la presencia de procesos de relajación dieléctrica a 113 K, lo que concuerda con los reportes sobre corrientes piroeléctricas y termoestimuladas en función de la temperatura y revela la aparición de polarización ferroeléctrica por debajo de los 113 K, con un posible acoplamiento magnetoeléctrico. Por otro lado, se hizo un estudio teórico de la estructura electrónica con y sin la fase distorsiva de Berry. Se hicieron cálculos ab initio siguiendo el formalismo de la teoría funcional de la densidad y el método de ondas planas pseudopotenciales, formalismo en el cual los mecanismos de intercambio y correlación se describen mediante el enfoque de gradiente generalizado (GGA + U) considerando la polarización de espín. El análisis con la fase de Berry sugirió la presencia de ferroelectricidad a menos de 113 K, lo que concuerda con el análisis experimental que sugiere un comportamiento biferroico a bajas temperaturas debido a que la fase distorsiva introduce hibridaciones entre los estados 3d-Fe y 2p-O que favorecen la aparición de interacciones Dzyaloshinskii-Moriya, las cuales, a su vez, facilitan la aparición de ferroelectricidad en condiciones de ferromagnetismo débil. Las propiedades termodinámicas en presencia y ausencia de la fase de Berry en el modelo cuasi-armónico de Debyerevelaron la aparición de una transición ferroeléctrica a los 113 K, lo que corrobora la naturaleza magnetoeléctrica a bajas temperaturas. El carácter ferromagnético semiconductor a temperatura ambiente potencia este material para aplicaciones en tecnología espintrónica.We report here the synthesis process of the perovskite-like complex material Bi0.5R0.5FeO3 (R=Eu, Sm, Dy) using the ceramic method, as well as its structural, optical, magnetic, and electrical characterizations. Refined X-ray diffraction data revealed that this material crystallizes in an orthorhombic structure (space group Pnma number 62). The band gap value in the optical response shown in the diffuse reflectance spectroscopy curve was typical of semiconductor materials. The magnetization exhibited a very low coercive field hysteretic behavior, which is characteristic of weak ferromagnetism, for all temperatures examined below 300 K and the various magnetic fields applied. The real and complex electric permittivity curves showed the occurrence of dielectric relaxation processes at 113 K in agreement with reports of pyroelectric and thermo-stimulated currents as a function of temperature revealing the appearance of ferroelectric polarization below 113 K with possible magnetoelectric coupling. On the other hand, we made a theoretical study of the electronic structure with and without the inclusion of a Berry distortional phase and ab-initio calculations following the density functional theory formalism and the pseudopotential plane wave method. In this formalism, the exchange and correlation mechanisms are described by the generalized gradient approach (GGA + U) considering spin polarization. The Berry phase analysis suggested the occurrence of ferroelectricity at temperatures below 113 K consistent with the experimental analysis evidencing a biferroic behavior at low temperatures given that the distortional phase introduces hybridizations between the 3d-Fe and 2p-O states favoring the appearance of Dzyaloshinskii-Moriya interactions, which, in turn, facilitate the appearance of ferroelectricity coexisting with a weak ferromagnetism. The thermodynamic properties in the presence or absence of the Berry phase by means of the Debye quasiharmonic model revealed the appearance of a ferroelectric transition at 113 K, which corroborates their magnetoelectric nature at low temperatures. The ferromagnetic semiconducting character found at room temperature enhances this material for applications in spintronics technology
Optics and photonics: Light science and light technology
No full textEste artículo de revisión presenta el panorama actual de las múltiples tecnologías basadas en la luz que se han hecho indispensables en nuestra vida diaria y que seguirán teniendo impacto en ella y en la economía mundial. Con el objetivo de motivar la formulación de un plan nacional de desarrollo de la investigación y apropiación de la tecnología fotónica en Colombia, se presentan los propósitos generales de algunas iniciativas regionales y nacionales de investigación y desarrollo en óptica y fotónica.This review article presents an overview of the many light-based technologies that have become indispensable in our daily lives and will continue to impact them, as well as the world economy. To motivate the formulation of a national plan for the development of the research and appropriation of photonics technology in Colombia, the general purposes of some regional and national research and development initiatives in optics and photonics are presented
Spatio-temporal estimation of the potential recharge in a tropical pseudokarst system
No full textLa estimación de la recarga permite determinar la incidencia de los cambios climáticos en la ofertahídrica y definir las tasas de bombeo adecuadas para que no ocurra sobreexplotación en los acuíferos. En este sentido, se hizo la primera estimación espaciotemporal de la recarga potencial por precipitación en la Dunita de Medellín, un sistema pseudokárstico tropical considerado zona de recarga lejana de los acuíferos aluviales del Valle de Aburrá (Colombia). Actualmente, estos acuíferos son explotados para uso industrial, pero debido al acelerado crecimiento poblacional podrían ser una fuente para el consumo humano en un futuro. Se emplearon dos métodos de balance hídrico, el balance hídrico superficial (surface water balance, SWB) a escala diaria y el de Schosinsky a escala mensual. Además, se evaluaron tres escenarios climáticos diferentes: año seco-El Niño, año húmedo-La Niña y año normal. Se encontró que la recarga se veía fuertemente influenciada por la precipitación y por la textura del suelo. Así, los valores promedios máximos se reportaron para La Niña (1.597 mm/año) y los mínimos para El Niño (813,5 mm/año). Se encontró, además, que el método de Schosinsky subestimó la recarga en un 20 % debido a que esta es un proceso que se da a escala de eventos que solo pueden apreciarse en los registros diarios de precipitación. A pesar de las diferencias, los resultados evidenciaron no solo el potencial de la Dunita de Medellín como zona de recarga de los acuíferos aluviales, sino también la marcada dependencia de la recarga frente a los fenómenos climáticos como el ENOS.Recharge estimation allows determining the incidence of climatic changes in the water supply and defining the appropriate pumping rates so that overexploitation in the aquifer does not occur. Here we made the first spatio-temporal estimation of the potential recharge due to precipitation in the so-called Medellín’s Dunite, a tropical pseudo-karst system considered a distant recharge zone of the alluvial aquifers in the Aburrá Valley (Colombia). These aquifers are currently being exploited for industrial use, but due to the rapid population growth, they could be a future source for human consumption. We used two water balance methods, the SWB on a daily scale and the Schosinsky on a monthly scale. Besides, we evaluated three different climate scenarios: dry year-El Niño, wet year-La Niña, and average year. We found that recharge was strongly influenced by precipitation and soil texture. The maximum average values were reported for La Niña year (1597 mm/year) and the minimum for El Niño year (813.5 mm/year). We also found that the Schosinsky method underestimated the recharge by 20% because the process occurs at event scale which can only be observable in daily precipitation records. Despite the differences, the results showed the potential of the Medellín’s Dunite as a recharge area for the alluvial aquifers and the marked dependence of recharge on climatic phenomena such as ENSO
