[en] This Thesis describes the fabrication of both thick-film and thin-film electrodes with porous carbon nanocomposite materials and the application of these electrodes in the electrochemical analysis of heavy metals in aqueous solutions. These carbon composites were obtained from the pyrolysis of materials prepared by sol-gel chemistry approach, namely resorcinol-formaldehyde and resorcinol-formaldehyde /silica gels containing bismuth precursors. Bulk bismuth nanoparticle-carbon xerogel nanocomposite materials consist of an open porous structure of carbon with well distributed bismuth nanoparticles. These materials were ball-milled into powders of suitable size to produce conventional paste electrodes to be characterized in the lab and commercial-like screen printed thick-film electrodes. These electrodes display a superior performance in the sensitive stripping voltammetric detection of heavy metals in waters. The limit of detections for Pb(II), Cd(II) and Ni(II) obtained using these electrodes are well below the threshold concentrations established for drinking water quality by the EU and the US-EPA. The analysis of Pb(II), Cd(II), Ni(II), Zn(II) and Cu(II) have been performed in real waters of different origin and complexity, showing results in agreement with the standard mass spectroscopy method. The limitations of the developed electrodes and the interferences between different analytes were also investigated. In the case of thin film electrodes, large scale uniform and continuous carbon/silica films were deposited on 4-inch SiO2/Si wafers by spin-coating resorcinol-formaldehyde sols containing a SiO2 precursor. The interfacial adhesion between carbon films and SiO2/Si substrates is significantly enhanced by the addition of SiO2. Carbon/silica thin-film electrodes were fabricated by both photolithography and soft-lithography processes. These electrodes did not provide any cyclic voltamperometric signals in inner-sphere ferri-/ferrocyanide solutions but were successfully characterized in solutions containing outer-sphere ferrocene redox probe. The incorporation of bismuth nanoparticles into carbon/silica films during their sol-gel deposition stage is challenging due to the loss of bismuth by evaporation during pyrolysis step. Nevertheless, these electrodes were successfully applied for the detection of heavy metals by co-deposition of bismuth and heavy metals.

[es] En esta Tesis se describe la fabricación de electrodos nanocompuestos de carbono poroso en forma de capa delgada y capa gruesa y su aplicación al análisis de metales pesados en aguas. Estos nanocompuestos de carbono se prepararon a partir de la pirolisis de materiales obtenidos por química sol-gel, concretamente de geles de resorcinol-formaldehído y de resorcinol-formaldehído con sílice, que contenían precursores de bismuto. Los geles pirolizados presentan una estructura de carbono poroso con porosidad abierta que contiene nanopartículas de bismuto bien distribuidas. Estos materiales se molieron hasta obtener granulometrías adecuadas para hacer electrodos de pasta de carbono para estudios de laboratorio y para hacer electrodos serigrafiados de capa gruesa de tipo comercial. Estos electrodos presentan una respuesta muy buena en el análisis de metales pesados en aguas, obteniéndose límites de detección de Pb(II), Cd(II) y Ni(II) que están muy por debajo de las concentraciones máximas contempladas por las normativas de agua para el consumo de la Unión Europea y Estados Unidos (US-EPA). Se llevaron a cabo análisis de Pb(II), Cd(II), Ni(II), Zn(II) y Cu(II) en aguas reales de diferente origen y complejidad y en la mayoría de casos se obtuvieron resultados en acuerdo con las medidas realizadas por espectroscopia de masas. Asimismo, se estudiaron las limitaciones de los sensores desarrollados y las interferencias entre los analitos. En relación a los electrodos en capa delgada, por spin-coating se depositaron capas uniformes y continuas de soles de resorcinol-formaldehído que contenían un precursor de SiO2 sobre obleas de SiO2/Si de 4 pulgadas. Se comprobó que después de la pirolisis la adhesión de las capas de carbono sobre la capa de SiO2/Si mejoraba mucho incorporando el precursor de SiO2en el sol. Los electrodos de carbono/sílice en capa delgada se fabricaron tanto por fotolitografía como por soft-lithography. Estos electrodos no presentaron respuesta alguna en voltamperometría cíclica en soluciones de ferri/ferrocianuro pero sí que lo hicieron en el caso de una sonda redox de ferroceno. En el caso de las capas delgadas, la incorporación de nanopartículas de Bi mediante un procedimiento análogo al seguido para la síntesis de los geles macroscópicos presentaba problemas debido a la evaporación de Bi durante la pirolisis. Sin embargo, estos electrodos se pudieron utilizar satisfactoriamente para el análisis de metales pesados haciendo una co-deposición electroquímica de Bi con los metales pesados analizados.