Hidróxidos duplos lamelares como precursores de nanopartículas metálicas e nanoestruturas de carbono

Autor(es)

Caroline Silva de Matos

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Conjunto das Químicas (IQ e FCF) (CQ/DBDCQ)
• Data de defesa: 2020-07-09

Membros da banca

Vera Regina Leopoldo Constantino; Jivaldo do Rosario Matos; Danilo Mustafa; Jairo Tronto

• Orientador: Vera Regina Leopoldo Constantino; Koiti Araki

Resumo

Os hidróxidos duplos lamelares (HDLs) são materiais cuja versatilidade química em termos da composição das lamelas e das espécies que podem ser intercaladas, permite modular suas propriedades para atingir uma ampla gama de aplicações. Neste contexto, os HDLs contendo metais de transição nas lamelas se destacam devido a sua atividade catalítica e eletroquímica, além de, quando intercalados com espécies orgânicas, catalisarem o crescimento de nanoestruturas de carbono a partir da sua decomposição térmica. No presente trabalho, foram avaliadas as sínteses de HDLs com razão molar Ni/Al (R) variando de 2 a 4, intercalados com ânions derivados dos ácidos tereftálico (TA) e 2-aminotereftálico (ATA), e com o polímero carboximetilcelulose (CMC). Estudouse a decomposição térmica dos materiais e seu potencial como precursores na síntese de compósitos contendo estruturas carbonáceas, óxidos e/ou partículas metálicas. A variação de R para os sistemas HDL-TA e HDL-ATA afeta principalmente sua composição química e a estrutura, uma vez que a diminuição na densidade de carga das lamelas (carga nm-2) com o aumento de R favorece a mudança na disposição dos ânions, de perpendiculares a paralelos, com relação às lamelas. Apesar disso, não foram observadas mudanças significativas nos espectros vibracionais (infravermelho e Raman) e no comportamento térmico dos materiais. A pirólise de HDL-TA ou HDL-ATA com R igual a 2 em temperaturas acima de 600 °C resultou no consumo dos ânions orgânicos a partir das reações de (i) decomposição térmica, que levam à formação de óxidos de carbono (CO e CO2) e compostos aromáticos voláteis; (ii) redução do níquel, onde as espécies carbonáceas atuam como agentes redutores. Por sua vez, a caracterização dos sistemas HDL-CMC indicou o confinamento das cadeias poliméricas nas matrizes lamelares, embora uma fração não intercalada de polímero envolva as partículas de HDL. Observa-se ainda que a diminuição na densidade de carga ocasiona uma segregação mais evidente de uma fase intercalada com íons cloreto. A pirólise do HDL com R igual a 2 em temperaturas superiores a 600°C levou a materiais contendo níquel metálico (Ni-NPs) e estruturas carbonáceas. Os resultados revelaram a presença de Ni-NPs esféricas, homogeneamente dispersas em uma matriz carbonácea e recobertas por estruturas grafíticas. No entanto, em temperaturas de pirólise acima de 800 °C, as partículas perdem a sua homogeneidade, devido a sua migração e coalescência. Ademais, com o aumento da temperatura de pirólise, as estruturas heterogêneas de carbono são convertidas em formas grafíticas mais ordenadas, como nanofitas e nano-onions, evidenciando a grafitização catalítica promovida pelas nanopartículas metálicas. Em suma, a pirólise do HDL-CMC levou à obtenção de nanocompósitos baseados em nanopartículas de níquel e nanoformas grafíticas de carbono. Neste sentido, a temperatura se mostrou um fator fundamental, uma vez que influencia a reação carbotérmica e os processos de grafitização e coalescência. Enquanto as nanopartículas metálicas catalisam a grafitização do carbono, a camada formada ao seu redor protege as nanopartículas de agregação, preservando sua homogeneidade em tamanho, forma e distribuição. (AU)

• Processo FAPESP: 14/04816-8 - Desenvolvimento de estruturas hierárquicas com nanoarquiteturas baseadas em unidades lamelares inorgânicas
• Beneficiário: Caroline Silva de Matos
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto