CIÊNCIAS DOS MATERIAIS: Resumo de Artigo Científico

SÍNTESE

Estrutura do Grafeno

Em 2004 os pesquisadores A.Geim e K. Novoselov, da universidade de Manchester, ganharam o Prêmio Nobel de Física , eles isolaram, caracterizaram e identificaram o Grafeno pela primeira vez.

O Grafeno foi o primeiro material cristalino bidimensional isolado de forma instável, com a espessura monoatômica formada apenas por átomos de carbono com Hibridizaçãosp², como um hexágono perfeito, parecendo uma estrutura de colmeia. Ele também é um novo integrante da família dos alótropos do carbono. Este material é versátil e tem muitas alternativas reais de aplicações, portanto é muito procurado nas rotas de preparação.

Composição Química do Grafeno é uma folha de átomos de carbono, com apenas 1 átomo de espessura, ele é obtido através do grafite natural.

Imagem da molécula do Grafeno:

Imagem MEV (microscópia eletrônica de varredura) do rGOB1PNaBH4:

PROCESSAMENTO

Materiais

Duas amostras diferentes de grafite, ácido sulfúrico, nitrato de sódio, permanganato de po¬tássio, peróxido de hidrogênio, etileno glicol, borohidreto de sódio, hidróxido de sódio e argônio foram utilizados como recebidos. Água deionizada foi utilizada em todo processo.

“Sumário”

As siglas utilizadas para referenciar as amostras nesse trabalho são Gr-Opara os óxidos de grafite, GO para os óxi¬dos de grafeno e rGOpara o óxido de grafeno reduzidos (grafeno). A segunda letra nos acrônimos refere-se ao grafite de origem “A”, para o grafite A e “B” para o grafite B. A partir das amostras de GO usa-se uma terceira letra associada ao tipo de ultrassom utilizado para preparar a dispersão: “B” para ultrassom de banho e “P” (de probe) para o ultrassom de sonda. E por fim as últimas letras estão associadas ao solvente no qual o GO foi esfoliado: “A” de água e “EG” de etileno glicol.

Oxidação do grafite

A oxidação do grafite foi realizada por três diferentes abordagens, baseadas em modificações no método de esfoliação do grafite bulk, conforme descrito a seguir: i) em um balão de 500 mL, previamente colocado em banho de gelo, foram misturados 46 mL de H2SO4 (98%), 2 g de grafite, e 1 g de NaNO3. Após 15 min. de vigorosa agitação, a qual foi mantida durante todo o processo, 6 g de KMnO4 foram lentamente inseridos na mistura. Após 75 min., 92 mL de água deionizada foram cuidadosamente adicionados, seguidos de mais 280 mL de água quente (~ 100 °C). Visando consumir o excesso de agente oxidante, foram adicionados 10 mL de solução aquosa de H2O2 (30% v v-1). Este mesmo procedimento foi aplicado a duas amostras de grafite, com diferentes graus de pureza, forne¬cidos pela empresa Nacional de Grafite SA: Graflake 9550 (90%), denominado grafite A e Graflake 99580 (99%), denominado grafite B, gerando respectivamente os óxidos de grafite Gr-OAe Gr-OB1; ii) nesta rota utilizou-se somente o grafite B, e foram mantidas as principais condições descritas em i), porém a oxidação se deu na ausência de banho de gelo após a adição de KMnO4, conduzindo a um aumento de temperatura para aproximadamente 80 oC. O óxido originado foi então denominado Gr-OB2; iii) utilizando somente a amostra de grafite B, nas mesmas condições descritas em ii) porém aumentando de 75 para 180 min. o tempo de oxidação do grafite. O óxido gerado neste procedimento será referenciado como Gr-OB3.

Os sólidos obtidos após as três sínteses foram lavados com 500 mL de uma solução aquosa de ácido clorídrico (10% v v-1) para a re¬moção de íons de sulfato e, em seguida, lavados com água deionizada sucessivas vezes, até pH neutro. Todo material foi seco em estufa a uma temperatura de 60 °C durante 24 h.

Esfoliação de óxido de grafite para óxido de grafeno

Para as dispersões contendo Gr-OA e Gr-OB1, foi usado como agente esfoliante um banho de ultrassom (Unique USC 1880, 37 kHz – 154 W). Uma quantidade definida de amostra (aproximadamente 100 mg) foi colocada em 100 mL de água, e deixada sob banho de ultrassom por 90 min. As dispersões obtidas aqui foram denominadas, GOA1 e GOB1B. Para a dispersão dos óxidos GrOB1, GrOB2 e GrOB3 foi utilizado um ultrassom de sonda (Cole Parmer CP505 - 20 kHz – 500 W) com tempos variando de 1, 5, 10 e 15 min. As dispersões utilizando água como solvente, na concentração de 1 mg de Gr-O por mL H2O, foram denominadas GOB1PA, GOB2PA e GOB3PA. Foram também preparadas dispersões em água dos óxidos de grafite, obtidas a partir de concentrações de 3 mg de Gr-O por mL H2O, aqui denominadas GOB1PA3, GOB2PA3 e GOB3PA3.

Foram também preparadas dispersões utilizando o etileno glicol (EG) como solvente, na concentração de 3 mg de Gr-O por mL de EG, que por sua vez foram denominadas GOB1PEG, GOB2PEG e GOB3PEG.

Todas as dispersões obtidas foram centrifugadas (3000 rpm) du¬rante 90 min. e o precipitado decorrente do processo de centrifugação foi descartado. A amostra GOA1 foi ainda submetida a uma segunda centrifugação a 3000 rpm durante outros 90 min., resultando na amostra GOA2.

Estudo da redispersão

Para o estudo da redispersão do óxido de grafeno, 500 mL de uma dispersão do GOB1PA (0,1 mg mL-1 H2O) foi concentrada, em placa de aquecimento, até atingir dez vezes sua concentração inicial. Essa dispersão concentrada foi dividida em quatro partes, e cada uma delas foi submetida às temperaturas de 50, 80, 110 e 140 °C, até completa evaporação do solvente. A seguir, uma massa de 0,6 mg de cada um dos sólidos obtidos foi redisperso em 4 mL de água. A estabilidade dessas redispersões foi avaliada por espectroscopia no UV-Vis no momento do preparo e após 24 h.

Redução do GO para rGO

A dispersão GOB1PA foi reduzida utilizando o NaBH4, que foi adicionado sólido à dispersão, numa proporção de 4 mg de NaBH4 para cada mililitro de dispersão, em refluxo durante 3 h. O sólido resultante foi separado por filtração, lavado diversas vezes com água deionizada, secos a 50 °C por 24 h, e denominado rGOB1PANaBH4. Esta mesma amostra (GOB1PA), assim como as amostras GOB2PA e GOB3PA, após secas à 80 °C e redispersas em EG na concentração de 0,25 mg mL-1, foram também reduzidas usando um método sol¬votermal, tendo o etileno