Desarrollo de interfaces de electrodos para la detección electroquímica de Bisfenol A: Estudio teórico

JAZMIN DELGADO AVILEZ (2023, [Tesis de maestría])

El bisfenol A (BPA), es un contaminante de origen industrial presente en efluentes y

aguas naturales, que representa un alto riesgo para el entorno ambiental y para la salud humana debido a su inherente toxicidad y su limitada capacidad de degradación. En este contexto, los sensores electroquímicos, generalmente basados en electrodos de carbono, son herramientas fundamentales con el propósito de detectar y cuantificar esta molécula. Sin embargo, estos dispositivos enfrentan desafíos sustanciales derivados de la inactivación electroquímica, un fenómeno atribuido a la formación de una capa aislante o polimerización durante el proceso de detección. La descripción de los mecanismos de reacción BPA/superficie del electrodo puede ser útil para identificar los sitios activos y contribuir a la elucidación del proceso de polimerización.

En esta investigación, se implementó un estudio teórico mediante Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT) con el propósito de analizar con profundidad las interacciones entre el BPA en sus diversos estados de oxidación: oxidada (O), reducida (R) y monoprotonada (r*) y materiales de carbono. A tal efecto, se empleó el grafeno funcionalizado (plano basal, borde tipo silla y zigzag) como modelo representativo de la superficie del electrodo. Finalmente se evalúan las posibilidades de la dimerización del BPA o polimerización sobre varios grupos funcionales. El objetivo principal radica en la detección de grupos funcionales específicos que puedan inducir procesos secundarios, los cuales actúan como obstáculos para la eficaz detección electroquímica del BPA. La información resultante se instituye como un recurso valioso con miras al diseño y la optimización de sensores electroquímicos con un desempeño más robusto y sofisticado.

A continuación, se detalla la sinopsis general de este trabajo describiendo cada capítulo y las etapas involucradas en el estudio del modelo teórico de DFT para el sistema de reacción BPA/superficie del electrodo.

Capítulo 1. Estado del arte tanto de los usos industriales como las implicaciones

ambientales asociadas al Bisfenol A. Una de las problemáticas que se destacan es la necesidad de una detección precisa de esta molécula mediante sensores electroquímicos cuya limitación es la inactivación que presentan. También se describe la justificación del trabajo, así como el uso del modelo computacional, además de los objetivos y la hipótesis del mismo.

Capítulo 2. Descripción de los fundamentos teóricos basados en primeros principios, de la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT), con un enfoque especial en las aproximaciones para desarrollar modelos representativos que optimicen el tiempo de cálculo. Además, se detallan las características de la estructura y la superficie de los materiales de carbono considerados en el proceso de modelado.

Capítulo 3. Detalle del proceso de construcción del modelo de superficie para el estudio de las interacciones BPA/superficie del electrodo, donde se empleó el modelo del plano basal,así como los bordes tipo silla y zigzag del grafeno, con funcionalizaciones que incluyen COOH, OH, éter, epóxido, cetona y terminaciones de hidrógeno.

Bisphenol A (BPA) is a contaminant of industrial origin present in effluents and natural waters. It represents a high environmental and human health risk due to its inherent toxicity and limited degradation capacity. In this context, electrochemical sensors, generally based on carbon electrodes, are fundamental to detecting and quantifying this molecule. However, these devices face substantial challenges from electrochemical inactivation, a phenomenon attributed to forming an insulating layer or polymerization during the sensing process. The description of the BPA/electrode surface reaction mechanisms can be helpful to identify the active sites and contribute to the elucidation of the polymerization process.

In this research, a theoretical study was implemented using Density Functional Theory (DFT) to analyze in depth the interactions between BPA in its various oxidation states: oxidized (O), reduced (R), and monoprotonated (r*) and carbon materials. For this purpose, functionalized graphene (basal plane, saddle edge, and zigzag) was used as a representative model of the electrode surface. Finally, the possibilities of BPA dimerization or polymerization on various functional groups are evaluated. The main objective is detecting specific functional groups that can induce secondary processes, which act as obstacles to the effective electrochemical detection of BPA. The resulting information is a valuable resource for designing and optimizing electrochemical sensors with more robust and sophisticated performance.

The general synopsis of this work is detailed below, describing each chapter and the

stages involved in the study of the theoretical DFT model for the BPA/electrode surface reaction system.

Chapter 1. State of the art of industrial uses and the environmental implications associated with Bisphenol A. One of the problems that stands out is the need for precise detection of this molecule using electrochemical sensors, whose limitation is the inactivation they present. The justification of the work is also described, as well as the use of the computational model, in addition to its objectives and hypothesis.

Chapter 2. Description of the theoretical foundations based on first principles of Density Functional Theory (DFT), focusing on approaches to develop representative models that optimize calculation time. Additionally, the structure and surface characteristics of the carbon materials considered in the modeling process are detailed.

Chapter 3. Detail of the construction process of the surface model for the study of BPA/electrode surface interactions, where the basal plane model was used, as well as the chair- type and zigzag edges of graphene, with functionalizations that include COOH, OH, ether, epoxide, ketone, and hydrogen endings.

INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS Oxidación de fenoles, Teoría de funcionales de la densidad (DFT), electrodos de carbono, desactivación electroquímica, Bisfenol A (BPA). Phenol oxidation, Density Functional Theory (DFT), carbon electrodes, electrochemical deactivation, Bisphenol A (BPA).