Sintese de Nanowires de Cu(OH)2 e CuO

Síntese de nanowires de Cu(OH)2 e CuO[pic 1]

Ana Paula Oliveira da Silva, Vítor de Paula Bandini

Laboratório de Química Inorgânica e Tecnológica

1Instituto de Química de São Carlos (IQSC) - Universidade de São Paulo (USP), São Carlos, Brasil.

Danilo Manzani

Departamento de Química e FÍsica Molecular (DQFM)

Instituto de Química de São Carlos (IQSC) - Universidade de São Paulo (USP), São Carlos, Brasil. [pic 2]

1. INTRODUÇÃO

Os estudos em nanomateriais de uma dimensão (1D), como nanowires e nanorods se encontram em alta atividade devido às peculiares propriedades físicas, químicas e mecânicas apresentadas por essas estruturas, diferentes de partículas maiores ou materiais bulk.1,2 Dentre as nanoestruturas sendo analisadas e aplicadas, os nanowires (termo do inglês comum para nano fios) de Cu(OH)2 e CuO têm atraído atenção por suas aplicações.1 Cu(OH)2 é um conhecido material laminar, de propriedades magnéticas sensíveis à presença de ânions moleculares, sendo um bom candidato à aplicação em sensores.3 Entretanto sua utilização é marcada por ser precursor de materiais como Cu2O e o CuO, que são mais utilizados em aplicações e estudos. O óxido cúprico ganhou a atenção da ciência também em função das estruturas possíveis de serem obtidas, como nano-esferas maciças ou ocas, nanoplates, nanowires e nano-fitas, que possibilitam uma gama de diferentes propriedades diretamente influenciadas pelo tamanho, orientação e morfologia das nanoestrututras.2 O óxido cúprico (CuO) é um semicondutor do tipo-p de banda estreita (1,2 eV)1 estudado extensivamente por sua relação próxima com supercondutores de alta temperatura crítica (Tc) relativa.3 CuO é atualmente explorado por ser um forte catalizador heterogêneo para conversão completa de hidrocarbonetos em dióxido de carbono e água.1,3Outras aplicações de CuO se resumem a funções de sensores, materiais bactericidas e remediação ambiental2. Entretanto possui potencial de aplicação em degradação de componentes orgânicos, como os de efluentes gerados por diversas indústrias têxteis, alimentícias e de cosméticos.2 Em consequência à suas aplicações, o óxido cúprico deve ser denominado relativamente como um material de baixo custo além da baixa complexidade de síntese e obtenção.1,2,3

As rotas de síntese desses materiais são de grande importância para o controle da formação das estruturas desejadas. Os principais métodos utilizam de reações hidrotérmicas, micro-ondas, reações do tipo molhada, ultrassom e eletroquímica, cada um influenciando em diferentes fatores.2 Neste trabalho será utilizado um método de precipitação controlada de Cu(OH)2 que será posteriormente convertido em CuO por perda de moléculas de água através de calcinação.[pic 3][pic 4][pic 5][pic 6]

O método de precipitação se baseia na adição de solução de hidróxido de amônio em nitrato de cobre (II) tri-hidratado dissolvido completamente, gerando cátions Cu2+ solvatados por moléculas de água. Essa reação, apresentada na Figura 1, leva à formação de um complexo quadrado-planar [Cu(NH3)4]2+, entretanto, assim que elevado o pH por meio de adição de base, os ligantes NH3 são substituídos pelos ligantes OH agora em maior concentração, resultando em uma molécula mais estável (a). A interação de hidrogênio entre oxigênios e hidrogênios intermoleculares, resulta em uma estrutura laminar (2D), como mencionado anteriormente, e consequentemente em cadeias maiores. Além do que o orbital dz2 do cobre (II) permite a interação com as moléculas de OH, podendo formar uma estrutura tridimensional (b). O seguinte processo de calcinação remove as moléculas de água como apresentado na ilustração da Figura 2, que em seguida leva à possível estrutura do CuO.

Figura 2. Fonte: Journal of Materials Chemistry. Vol. 26, 2014.

1. OBJETIVOS

• Sintetizar nanoestruturas de Cu(OH)2 e CuO com controle de tamanho e forma através de rota química simples de precipitação, bem como investigar as transformações químicas em nanoescala;

• Utilizar conceitos da química de coordenação para explicar e entender os mecanismos de formação dos nanofios cristalinos de Cu(OH)2 e CuO a partir do precursor Cu2+ (aq);

• Utilizar e demonstrar como as diferentes técnicas de caracterização servem como ferramentas para investigar e compreender as propriedades e transformações em materiais nanoestruturados.

1. PARTE EXPERIMENTAL

3.1 Materiais e Reagentes

• Nitrato de cobre (II) trihidratado   (Cu(NO3)2.3H2O, 99%);
• Hidróxido de sódio (NaOH, >98%);
• Hidróxido de amônio (NH4OH, 28-30 wt%);
• Água deionizada;
• Etanol;
• Agitador magnético;
• Balão de fundo redondo;
• Mufla.

3.2        Síntese dos nanofios de Cu(OH)2 e CuO [pic 7]

Para a síntese dos nanofios de CuO e Cu(OH)2 utilizou-se o método de precipitação controlada. Inicialmente em um um balão de fundo redondo de 250 mL, dissolveu-se 1g de Cu(NO3)2 em 100 mL de água destilada sob agitação magnética. Ainda sob agitação adicionou-se 30 mL de solução NH4OH de concentração 0,15 M, resultando na Solução I e em seguida adicionou-se gota a gota de NaOH (1 M) até que o pH do meio atingisse entre 9-10, ocorrendo a formação de um precitado azul, sendo a suspensão aquosa contendo nanofios de Cu(OH)2. Filtrou-se a suspensão e lavou-se o precipitado diversas vezes com etanol até a obtenção um sólido azul. Por fim separou-se o produto sólido em duas partes, para que uma desse origem aos nanofios de Cu(OH)2, secou-se em temperatura ambiente, enquanto a outra metade aqueceu-se a  180°C por 1h, dando origem aos nanofios de CuO através do processo de calcinação.

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