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UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE Danilo Argentoni Nagaoka SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS BASEADOS EM DERIVADOS DE GRAFENO DE ALTA QUALIDADE E ÓXIDO DE COBALTO BIDIMENSIONAIS São Paulo 2019

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UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE

Danilo Argentoni Nagaoka

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS BASEADOS EM

DERIVADOS DE GRAFENO DE ALTA QUALIDADE E ÓXIDO DE COBALTO

BIDIMENSIONAIS

São Paulo

2019

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Danilo Argentoni Nagaoka

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS BASEADOS EM

DERIVADOS DE GRAFENO DE ALTA QUALIDADE E ÓXIDO DE COBALTO

BIDIMENSIONAIS

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa

de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais e

Nanotecnologia da Escola de Engenharia da

Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito

parcial à obtenção do grau de Mestre em Engenharia

de Materiais e Nanotecnologia.

Orientador: Prof. Dr. Sergio Humberto Domingues

São Paulo

2019

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N147s Nagaoka, Danilo Argentoni Síntese e caracterização de Nanocompósitos baseados em derivados de grafeno de alta

qualidade e óxido de cobalto bidimensionais / Danilo Argentoni Nagaoka – São Paulo, 2019.

101 f. : il., 30 cm.

Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais e Nanotecnologia ) - Universidade Presbiteriana Mackenzie - São Paulo, 2019.

Orientador: Prof. Dr. Sergio Humberto Domingues Bibliografia: f. 90-97

1. Derivados de Grafeno 2. Óxido de metais de transição bidimensionais 3. Nanocompósitos. I. Domingues, Sergio Humberto, Orientador. II Título.

CDD 621.3

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Danilo Argentoni Nagaoka

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS BASEADOS EM

DERIVADOS DE GRAFENO DE ALTA QUALIDADE E ÓXIDO DE COBALTO

BIDIMENSIONAIS

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa

de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais e

Nanotecnologia da Escola de Engenharia da

Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito

parcial à obtenção do grau de Mestre em Engenharia

de Materiais e Nanotecnologia.

BANCA EXAMINADORA

_______________________________________

Prof. Dr. Sergio Humberto Domingues

Universidade Presbiteriana Mackenzie

_______________________________

Prof. Drª. Cecilia de Carvalho Castro e Silva

Universidade Presbiteriana Mackenzie

_______________________________________

Prof. Dr. Victor Hugo Rodrigues de Souza

Universidade Federal da Grande Dourados

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente aos membros que aceitaram fazer parte da banca de

defesa do meu trabalho de mestrado a Profª Dra. Cecília de Carvalho e ao Profº Dr.

Victor Hugo Rodrigues de Souza.

Ao meu orientador Prof. Dr. Sergio Humberto Domingues, entre a

orientação e amizade, serei sempre agradecido, pelas conversas, conselhos e

paciência.

A minha noiva Nidiara S. M. Sassaki, que nunca deixou de me apoiar, e

esteve ao meu lado sempre e independente de qualquer coisa.

Minha família, Marcílio, Eva, Isadora e Caio, obrigado por sempre

estarem ao meu lado, dando forças e me apoiando durante todo caminho.

Ao grupo de pesquisa o GQuimNG, Grupo de pesquisa em Química,

Nanomateriais e Grafeno. Grupo que tive o prazer de fazer parte. Gostaria de

agradecer todos, aos atuais e ex-membros: Caroline (Brambs), Daniel (Tiba), Ederson

e Josué (Josuel). Obrigado pelo apoio em todos os momentos, discussões e

colaboração.

Meu muito obrigado ao amigo e agora professor, Daniel Grasseschi, pela

oportunidade de obter os dados de s-SNOM, e pelo apoio durante essa caminhada.

Ao GQM em especial a Jéssica E. Fonsaca, muitíssimo obrigado, pela

colaboração, a amizade e os conselhos.

Gostaria de agradecer ao INCT de Nanomateriais de Carbono e a Capes

– PRINT (Programa Institucional de Internacionalização; Grant # 88887.310281/2018-

00) pela concessão da bolsa. A FAPESP pelo auxílio, a Universidade Presbiteriana

Mackenzie pelo fomento para participação do congresso. Ao CNPEM, LNNano e

LNLS pelas análises de XPS e s-SNOM. Ao centro de pesquisas MackGraphe, por

me conceder a oportunidade de elaborar esse trabalho.

A todos meus amigos de dentro e fora do MackGraphe, obrigado por

todo suporte e momentos de descontração, assim como na nanotecnologia, são as

pequenas coisas que fazem maior diferença.

Obrigado, a todos que me ajudaram com a elaboração desse trabalho,

de forma direta ou indireta.

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RESUMO

O presente trabalho estudou a síntese de três diferentes nanomateriais, sendo eles

um óxido de grafeno de alta qualidade (GOHQ), um óxido de cobalto na forma

bidimensional (Co3O4-2D) e um nanocompósito (Co3O4-GOHQ) formado pelos dois

materiais. O objetivo do trabalho foi estudar as propriedades capacitivas dos materiais

sintetizados, uma vez que GO e o Co3O4 apresentam perspectivas interessantes para

aplicação em diferentes áreas de energia. Dessa forma a busca por novas estruturas

e a compreensão das rotas de síntese se faz necessária. Para a síntese do GOHQ,

avaliamos os principais parâmetros do método de Hummers modificado, e através de

modificações nos tempos de oxidação e adição dos reagentes, aliado a um maior

controle da temperatura durante o processo, foi demonstrada a possibilidade de obter

um GO de alta qualidade (GOHQ). O material sintetizado apresentou um elevado grau

de estruturação (GOHQ ID/IG = 0,43 ± 0,13), ainda não reportado na literatura para

rotas semelhantes. O material foi caracterizado por diferentes técnicas, apresentando

mudanças significativas na estrutura do GOHQ obtido, com uma maior tendência de

oxidação das bordas, preservando o plano basal. Também demonstramos que a

prevenção dos defeitos durante a oxidação se propaga durante a redução, gerando

do óxido de grafeno reduzido de alta qualidade (rGOHQ). O óxido de cobalto (Co3O4),

é um material que apresenta vasta gama aplicação na área de energia. Diferentes

nanoestruturas desse material já são bem reportadas, porém o material na forma

bidimensional (2D) ainda é pouco explorado. Por isso, estudamos uma rota

hidrotermal baseada no método poliol adaptado. Através do uso de diferentes

solventes, surfactantes e um template apropriado em um sistema fechado (autoclave),

obtivemos um óxido de cobalto (Co3O4) com estrutura semelhante a nano pétalas. O

Co3O4-2D foi caracterizado por diferentes técnicas e teve seu comportamento

eletroquímico avaliado, apresentando possibilidade de aplicação na área de energia.

O nanocompósito foi obtido através de uma adaptação no sistema hidrotermal.

Através da troca de um dos surfactantes por uma suspensão de GOHQ, foi possível

obter um nanocompósito em uma única etapa. O Co3O4-GOHQ obtido, apresentou um

aumento de performance nas medidas eletroquímicas, quando comparado aos

materiais isolados.

Palavras-chave: derivados de grafeno, óxido de metais de transição bidimensionais,

nanocompósitos.

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ABSTRACT

The present work studied the possibility of synthesis of three different nanomaterials.

A high-quality graphene oxide (GOHQ), a cobalt oxide in a two-dimensional structure

(Co3O4-2D) and a nanocomposite between those materials. The goal was to study the

capacitive properties of the synthesized materials, since the GO e o Co3O4 shows

interesting perspective to be applied in different energy related areas. Thus, the search

for new structures and the understanding of synthesis route are necessary. To

synthesize the GOHQ we evaluate the main parameters of the modified Hummers

method. And through modifications in the oxidation and reagent addition time, allied

with temperature control during the process, was demonstrate the possibility to obtain

a high-quality GO (GOHQ). The synthesized material showed a high structural degree

(GOHQ ID/IG = 0,43 ± 0,13), yet nor reported in the literature for similar routes. The

material was characterized using different techniques, the GOHQ showed significative

changes in its structure, with an oxidation more likely to happen in the flake boarders,

preserving the basal plane. We also demonstrated that the preservation during the

oxidation propagates during the reduction, generating a high-quality reduced graphene

oxide (rGOHQ). The cobalt oxide (Co3O4), is a material that has a large range of

application in energy related areas. Different nanostructures of these material are well

reported in literature, but its bidimensional structure (2D) it’s not very explored. Thus,

we studied a hydrothermal route based in the adapted polyol method, which showed

that with different solvents, surfactants and an appropriated template in a closed

system (autoclave), we synthesized a cobalt oxide with structure similar to nanopetals.

The Co3O4-2D was characterized through different techniques and had its

electrochemical performance evaluated, showing the possibility to be applied in energy

related areas. The nanocomposite was obtained with an adaptation in the polyol

method. Through the change of one of the solvents for a suspension of GOHQ, was

possible to synthesize the nanocomposite in a single step. The obtained Co3O4-GOHQ

showed an enhanced electrochemical performance when compared with the isolated

materials.

Keywords: graphene derivatives, modified Hummers method, bidimensional transition

metal oxides

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 8

1.1. GO e rGO, características e obtenção ....................................................... 19

1.2. Óxido de cobalto nanoestruturado ............................................................. 30

1.3. Nanocompósitos ........................................................................................ 35

2 OBJETIVOS .............................................................................................. 39

2.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................... 39

3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ..................................................... 39

3.1. SÍNTESE DO ÓXIDO DE GRAFENO ........................................................ 39

3.1.1. Oxidação do grafite padrão (STD) .................................................... 39

3.1.2. Oxidação do grafite alta qualidade (HQ) .......................................... 40

3.1.3. Obtenção do óxido de grafeno (GO) ................................................ 41

3.1.4. Obtenção do óxido de grafeno (GO) mecânico .............................. 42

3.1.5. Redução do óxido de grafeno .......................................................... 42

3.2. SÍNTESE DE ÓXIDO DE COBALTO NANOESTRUTURADO .................. 42

3.3. SÍNTESE DOS NANOCOMPÓSITOS ....................................................... 43

3.4. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS E NANOCOMPÓSITOS .............. 43

3.4.1. Espectroscopia Raman ..................................................................... 43

3.4.2. Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR)

............................................................................................................. 44

3.4.3. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia

dispersiva (EDS) ................................................................................ 44

3.4.4. Difração de Raios X (DRX) ................................................................ 44

3.4.5. Espectroscopia de fotoelétrons excitados (XPS) ........................... 44

3.4.6. Microscopia de força atômica (AFM) ............................................... 45

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3.4.7. Nano-espectroscopia de infravermelho na faixa do infravermelho médio

(s-SNOM) ............................................................................................ 45

3.4.8. Análises térmicas .............................................................................. 45

3.4.9. Medidas eletroquímicas (Voltametria cíclica, carga e descarga e

impedância). ....................................................................................... 45

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................ 46

4.1.1. Óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido............................... 46

4.1.2. Óxido de Cobalto 2D ......................................................................... 73

4.1.3. Nanocompósito.................................................................................. 82

5 CONCLUSÕES ......................................................................................... 91

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 92

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1 INTRODUÇÃO

Grafeno, é definido como uma monocamada de átomos de carbono

arranjados em anéis hexagonais com hibridização sp2, o termo é referente ao primeiro

material bidimensional (2D) já isolado (Novoselov et al., 2004). Desde 2004, essa

denominação aparece em diversos artigos científicos na área de nanotecnologia.

Tamanho interesse torna-se justificável quando olhamos para a conhecida

versatilidade dos materiais de carbono. Como exemplos, temos as diferentes

estruturas compostas apenas por átomos de carbono, com diferentes propriedades

ligadas ao seu arranjo estrutural e tipos de ligações, como os fulerenos (0D),

nanotubos (1D), diamante, grafeno (2D) e o grafite na sua forma bulk, apresentados

na Figura 1.

Figura 1 – Esquema ilustrativo relativo à diferentes materiais de carbono e suas diferenças

estruturais.

Fonte: adaptado de (Tiwari et al., 2016)

Todos os materiais de carbono citados possuem aplicações variadas,

desde eletrônica avançada até ornamentos de luxo. Essa gama de possibilidades

também aparece no mais recente alótropo de carbono, o grafeno (Zhu et al., 2010).

Trabalhos com este material vão de compósitos poliméricos ou cerâmicos em grande

escala, passando por capacitores nanoestruturados até nano-antenas e

nanosensores (Ahmad et al., 2018). O grafeno vem atraindo o interesse em diferentes

áreas devido a suas propriedades pronunciadas como: alta condutividade térmica

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(5000 W.m-1.K-1), alta mobilidade eletrônica (2000-5000 cm-2.Vs-1), elevadas

resistências mecânicas (próxima de 1 TPa), relativa transparência (para uma

monocamada a transmitância se aproxima de 98%), elevada área superficial (2630 m2

g-1), entre outras (Randviir et al., 2014).

Todas as propriedades do grafeno são diretamente ligadas a sua

estrutura particular, que possui confinamento em uma dimensão (Singh et al., 2011).

Entre os diferentes fenômenos que afetam as propriedades de um nanomaterial, a

mudança na estrutura de bandas, ou a sua distribuição eletrônica é uma das

principais. Tal mudança faz com que as bandas de condução e valência nos materiais

nanométricos sejam diferentes de seus materiais de partida, ou tridimensionais (3D).

Dessa forma estruturas de banda de um nanomaterial podem ser moduladas de

acordo com a aplicação, através de dopagens, controle no número de camadas,

tamanho das nanopartículas, morfologia, etc (Lue, 2007). A Figura 2 apresenta a

estrutura de bandas para o grafeno, como citado o material apresenta apenas uma

de suas dimensões confinadas (Castro Neto et al., 2009).

Figura 2 – Esquema ilustrativo relativo à dispersão eletrônica no grafeno.

Fonte: Adaptado de (Castro Neto et al., 2009)

Os átomos de carbono na estrutura do grafeno fazem dois tipos de

ligação, sendo elas as ligações σ e π. Para cada 4 carbonos interligados, 3 apresentam

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uma sobreposição da ligação σ em uma mesma folha, resultando em uma interação

forte, que gera as excelentes propriedades mecânicas do material (Tiwari et al., 2016).

Já a ligação π ressonante se dá devido a hibridização sp2, através da interação entre

os orbitais s com 2 orbitais p puros diferentes, que é intrínseco a estrutura do grafeno.

Essa hibridização faz com que esse material apresente propriedades eletrônicas

aprimoradas (Avouris e Dimitrakopoulos, 2012). Os pontos em destaque da na Figura

2 são chamados de ponto de Dirac, ele destaca as 4 regiões em que as bandas de

valência e condução se tocam no grafeno.

Dessa forma, essas propriedades variam consideravelmente

dependendo do tipo síntese e consequentemente da qualidade estrutural do material

final, uma vez que o rompimento, ou criação de hibridizações diferentes afetam a

estrutura e as propriedades dos derivados de grafeno obtidos (Botas et al., 2013). A

Figura 3 mostra a representação de uma folha de grafeno monocamada e as

diferentes ligações presentes na estrutura. Facilitando a compreensão da

necessidade da preservação da estrutura para manutenção das propriedades do

mesmo.

Figura 3 – a) Ilustração de uma folha de grafeno monocamada e b) representação da

distribuição eletrônica e das ligações presentes em um anel de hexagonal de carbono que

compõe o grafeno.

Fonte: Adaptado de (Shu et al., 2015)

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Como citado, o termo grafeno se refere ao material com uma ou poucas

camadas. Na prática diferentes estruturas de derivados de grafeno podem ser obtidas

de acordo com o método de síntese utilizado. Uma das razões pelo termo “derivado”

de grafeno é atribuído as variações de estrutura e morfologia que a síntese pode gerar,

sendo semelhante a estrutura de um grafeno pristino. Como exemplos de diferentes

materiais baseados no grafeno temos: quantum dots de grafeno, com estrutura

semelhante a nanopartículas (menores que 30 nm), as nanofitas de grafeno com

largura menor que 50 nm (nanoribbons), pequenas aglomerações de algumas

camadas de grafeno (nanoplacas); grafenos de uma ou poucas camadas

automontadas em diferentes substratos através de métodos conhecidos como bottom-

up (CVD e SiC). Também podemos obter os materiais de grafeno por rotas químicas,

funcionalizados com grupamentos oxigenados, como o óxido de grafeno (GO) e sua

versão reduzida o óxido de grafeno reduzido (rGO) (Gupta et al., 2015).

De maneira geral a estrutura do material final varia em quantidade de

folhas (ou camadas) de grafeno, quantidade de grupamentos oxigenados, defeitos e

tamanho dos flakes. Os métodos, contudo, podem se diferenciar em duas principais

categorias, sendo as rotas de bottom-up, onde se constrói um grafeno sobre um

substrato, através da decomposição de um precursor de carbono. E os métodos top-

down, em que através da fragmentação do precursor (grafite) os diferentes materiais

de grafeno podem ser obtidos, através de rotas químicas ou líquidas de exfoliação

(Ren et al., 2018). Entre as metodologias as principais variações são com relação a

parâmetros como: rendimento, custo, eficiência e escalabilidade.

A Figura 4 apresenta a correlação entre os principais parâmetros através

da relação de custo e benefício dos métodos mais usuais obtenção de grafeno e

derivados, levando em conta a qualidade do material, quantidade de aplicação, os

custos entre os métodos (com relação a produção industrial) e a pureza (comparado

a um grafeno pristino). Cada característica é avaliada em uma escala de zero a três.

Para análise do gráfico, é importante ressaltar que para quase todas as

características, valores mais altos são mais vantajosos, exceto o custo (C), em que

menores valores são associados a maiores custos.

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Figura 4 - Representação dos diferentes métodos de produção de grafeno e derivados de

grafeno de 0-3, onde: G é a qualidade do grafeno obtido, S quantidade de aplicação, P

relacionado a pureza do material, Y relacionado a produção e C relacionado ao custo

(menores valores maiores custos).

Fonte: Adaptado de (Ren et al., 2018)

Atualmente podemos afirmar que os métodos que produzem grafeno

mais próximo do pristino, sua estrutura praticamente intacta, ainda são difíceis de

escalonar ou apresentam um custo relativamente alto, quando comparado com os

métodos de esfoliação química (Zhong et al., 2015). Isso faz com que, as rotas de

exfoliação química se destaquem por apresentarem um bom custo benefício

pensando em produção em escala industrial, e nas variadas aplicações do material

obtido. Isso é justificado pela diferença de característica entre os dois materiais que

podem ser obtidos através de rotas de exfoliação química. Sendo eles, o óxido de

grafeno (GO), e o óxido de grafeno reduzido (rGO).

Os materiais obtidos através desse processo, se distinguem em

características e aplicações. Enquanto um é isolante e hidrofílico (GO) o outro é um

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semicondutor e hidrofóbico (rGO). Essas propriedades distintas entre os materiais, faz

com que eles tenham variadas aplicações e possibilidades de modulação (Avouris e

Dimitrakopoulos, 2012). Os grupamentos funcionais do GO são interessantes se

pensarmos em funcionalização ou pontos de nucleação para nanopartículas por

exemplo.

Rotas de exfoliação química geram primeiramente um material com

diversos grupamentos oxigenados na sua estrutura empilhada tridimensionalmente, o

óxido de grafite (Gr-O). Estes grupamentos inseridos servem de facilitador para

exfoliação e obtenção do GO, uma vez que diminuem as interações entre as folhas

de grafeno na estrutura do grafite.

Dependendo da aplicação esses grupamentos podem ser removidos

através de processos químicos ou físicos de redução para a obtenção do óxido de

grafeno reduzido (rGO) (Eigler, Enzelberger-Heim, et al., 2013). O rGO tem uma

estrutura mais próxima do grafeno, consequentemente apresenta diferentes

características, como por exemplo melhores valores para transporte eletrônico,

quando comparado com a sua forma oxidada. Comparados ao grafeno pristino, esses

materiais se diferem em alguns pontos, entre os principais está na quantidade de

defeitos no plano basal. Esses diferentes defeitos são gerados por uma série de

fatores, que serão discutidos posteriormente. A Figura 5 mostra a representação das

estruturas dos materiais que podem ser sintetizados através da esfoliação química.

Figura 5 – a) Representação da estrutura do óxido de grafeno monocamada (GO) e b)

representação do óxido de grafeno reduzido (rGO).

Fonte: Adaptado de (Eigler e Hirsch, 2014)

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Mesmo com sua estrutura parcialmente degradada, o GO e rGO

apresentam aplicações em várias áreas, como de energia, materiais compósitos,

filtros, transistores, sensores, sistemas de drug-delivery, entre outras (Singh et al.,

2011).

Com o isolamento do grafeno, estudos com relação a materiais

bidimensionais ganharam perspectiva. Com isso, pesquisadores vem estudando

outros materiais bidimensionais além do grafeno que apresentem propriedades

vantajosas com relação ao seu precursor bulk. Parte desse interesse já é intrínseco

da nanotecnologia, uma vez que a partir do confinamento de uma (ou mais) das suas

dimensões, os materiais adquirem propriedades parcialmente ou totalmente

diferentes de seus precursores (Hussein, 2015).

A Figura 6 mostra a variação do band-gap para uma nanopartícula de

um material semicondutor. O efeito de confinamento quântico ocorre devido ao

rearranjo dos elétrons. Uma vez que quando um material apresenta pelo menos uma

das suas dimensões abaixo de 100 nm, ocorre uma mudança na densidade de

estados causada pela nova distribuição eletrônica no material. Sendo esse, o efeito

que causa grande parte das mudanças de propriedades nos nanomateriais (Rabouw

e De Mello Donega, 2017).

Figura 6 – Representação da abertura de band-gap com a variação do tamanho.

Fonte: Adaptado de (Rabouw e De Mello Donega, 2017)

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O tipo de confinamento é diferente de acordo com a quantidade de

dimensões que o material apresenta em escala abaixo de 100 nanômetros. Dessa

forma, para o confinamento em 3 dimensões temos os materiais 0D (quantum dots,

nanopartículas), em 2 dimensões, os materiais 1 D (nanofios, nanobastões) e em 1

dimensão os materiais 2D (nanofolhas, monocamadas ou poucas camadas). A Figura

7 exemplifica a variação nas densidades de estado de acordo com a quantidade de

dimensões confinadas.

Figura 7. Diferentes estruturas nanométricas de um semicondutor, comparando a morfologia

com a mudança da densidade de estados.

Fonte: Adaptado de (Mao et al., 2016)

A Figura 7, relaciona a densidade de estados em função da energia.

Simplificando a interpretação, são os graus de liberdade que os elétrons têm de

acordo com a quantidade de dimensões confinadas (Mao et al., 2016). É importante

ressaltar, que os nanomateriais 0D e 1D já são estudados há mais tempo. Por sua vez

os nanomateriais bidimensionais ganharam notoriedade com o isolamento do grafeno,

muito, devido à elevada área de superfície que a estrutura 2D apresenta.

Isso fez com que materiais já conhecidos voltassem a ser estudados por

meio das suas “novas” estruturas. Um exemplo são os óxidos de metais de transição,

que possuem aplicações variadas na indústria, e agora vem sendo sintetizados por

novas metodologias obtendo estruturas bidimensionais, semelhantes ao grafeno (Ma

e Sasaki, 2010). Além das “novas” estruturas dos óxidos metálicos citados, temos

outros materiais cristalinos com estruturas lamelares que podem ser esfoliados como

o grafeno (2D) alguns exemplos como: fósforo negro (ou fosforeno), nitreto de Boro

hexagonal (h-BN), dissulfeto de molibdênio (MoS2) apresentados na Figura 8. Todos

os materiais citados quando obtidos em escalas nanométricas apresentam

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propriedades novas e interessantes, e consequentemente novas aplicações, podendo

ser estruturados em diferentes arranjos (Hanlon et al., 2015).

Figura 8. Exemplos de materiais bidimensionais (2D), que vieram após o isolamento do

grafeno.

Fonte: adaptado de (Geim e Grigorieva, 2013)

O interesse pela nanotecnologia e os nanomateriais se explica não

apenas pelas diferentes propriedades que um material apresenta na sua forma

nanométrica. Quando olhamos os problemas e necessidades da sociedade atual,

temos como uma das principais questões da atualidade as fontes de geração e

armazenamento de energia limpas (Serrano et al., 2009). Nessa área de pesquisa, a

nanotecnologia como um todo, vem tentando aprimorar sistemas já conhecidos com

seus novos materiais, ou desenvolver novos dispositivos mais eficientes e

sustentáveis. Para tanto, é necessária uma compreensão da produção até a aplicação

do material, verificando as diferentes propriedades desses novos materiais, seu

comportamento desde a síntese até a aplicação. Consequentemente estudando as

mudanças de interações quando trabalhamos com um ou mais materiais em um

determinado sistema (Yuan et al., 2014).

O desenvolvimento de novas arquiteturas para os diferentes óxidos de

metais de transição, assim como a síntese de materiais compósitos com variados

arranjos, tanto em escala macro ou nano é necessária. Através dos estudos desses

novos materiais, podemos abordar problemas antigos sobre uma nova perspectiva

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(He et al., 2018). Na área de energia por exemplo, baterias, capacitores e

supercapacitores podem ter seu desempenho melhorado com a aplicação de

nanomateriais e/ou dos nanocompósitos, sendo necessário a compreensão das

reações envolvidas (pseudocapacitância e/ou dupla camada elétrica), a faixa de

operação dos materiais, interações com substratos/sistemas, etc (Zhang, H. et al.,

2018).

Para um estudo avançado, como citado, é necessário primeiramente a

aplicação do material de uma forma mais simples. Portanto, antes da montagem de

dispositivos para aplicações em sistemas mais complexos os materiais são

geralmente estudados e caracterizados como ânodos ou cátodos. Isso porque as

mesmas vantagens dos materiais em escala nanométrica, podem se tornar problemas

durante a aplicação. A alta reatividade devido a elevada área de superfície, que é

interessante para uma série de aplicações, pode ser difícil de se manter. Devido a

maior quantidade de elétrons na superfície, os nanomateriais podem ter reações

paralelas não desejadas, ou se aglomerar (retornando à uma estrutura 3D). Por isso,

faz-se necessário métodos criteriosos de síntese e caracterizações para obter e

aplicar novos materiais.

Estudos teóricos mostravam a possibilidade de obtenção de nano

estruturas de óxidos de metais de transição na sua forma bidimensional. As estruturas

propostas se mantinham através de diferentes mudanças na sua conformação. Como

a mudança das ligações originais do sistema cristalino, dando origem a formação de

novas ligações e consequentemente uma nova distribuição eletrônica. Dessa forma,

seria possível obter o material na sua forma bidimensional. Para a formação da

estrutura do óxido metálico como uma nanofolha, Sun e colaborados utilizaram um

método poliol adaptado com auxílio de uma autoclave.

A Figura 9, apresenta a diferença na energia de superfície (e distribuição

de elétrons) propostas para diferentes óxidos de metais de transição. Através da

comparação na sua forma bulk (a direita), com sua reestruturação em um arranjo

bidimensional (a esquerda). A seta preta mostra o rearranjo teórico das ligações na

estrutura cristalina para a formação de uma estrutura 2D estável.

Com essa nova arquitetura, os materiais apresentam mudanças de

propriedades e de reatividade consideráveis. Novamente, devido aos efeitos de

confinamento nos nanomateriais, eles podem vir a apresentar até 90% dos seus

elétrons na superfície. Os materiais com estruturas 2D apresentam um aumento de

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área específica entre 3-10 vezes quando comparados por exemplo, com as

nanopartículas (Xiao et al., 2016).

Figura 9. Comparação da densidade de energia, e distribuição eletrônica para diferentes

óxidos de metais de transição na forma bulk (esquerda) e 2D (direita): a) TiO2, b) ZnO, c)

Co3O4 e d) WO3.

Fonte: adaptado de (Sun et al., 2014)

Um exemplo da mudança de propriedade devido a escala em que o

material se encontra, são os óxidos de cobalto (Co3O4) que vem sendo estudados pra

diferentes aplicações nas áreas de energia e materiais compósitos (Xiong et al., 2009).

Por ser um material que apresenta diferentes estados de oxidação (Co+2 e Co+3), e

seus processos serem reversíveis em potenciais variados, ele é empregado em

baterias, capacitores, supercapacitores, sensores, células de redução de oxigênio

(Wang, D. et al., 2011).

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Os óxidos de cobalto, podem ser aplicados tanto na sua forma bulk,

quanto em diferentes nanoestruturas, sendo as mais comuns as nanopartículas e

nanofios (Zhu, J. et al., 2011). Estruturas como nanofolhas (2D), como explicadas, são

relativamente novas, a grande vantagem desse tipo de confinamento é a elevada área

superficial, que pode facilitar alguns processos e reações deste material através suas

interações em diferentes compósitos, aumentando sua eficiência quando aplicado (Yin

et al., 2016). Dessa forma, justificando a necessidade de compreensão de novos

nanomateriais e possíveis nanocompósitos, serão abordados os matérias estudados

nesse trabalho.

1.1. GO e rGO, características e obtenção

Entre os principais métodos de obtenção de derivados de grafeno,

destacamos as rotas de exfoliação química do grafite, em que é possível obter dois

materiais a partir do óxido de grafite, o óxido de grafeno (GO) e o óxido de grafeno

reduzido o (rGO). O método de oxidação do grafite data mais de 100 anos antes do

isolamento do grafeno. A primeira referência a metodologia aparece em 1859 com o

químico britânico Brodie (Brodie, 1859). Em sua rota utilizava-se perclorato de

potássio (KClO4) em meio de ácido nítrico fumegante (HNO3) obtendo uma mistura de

coloração marrom que foi chamada de “grafite ácido”. Desde então o método passou

por uma série de modificações. Inicialmente para aumentar a segurança do processo,

uma vez que o meio reacional utilizado era passível de explosões e gerava diferentes

gases tóxicos como NO2, N2O4 e o ClO2-.

A primeira modificação nesta metodologia foi feita por Staudenmaier em

1898. Naquela ocasião ele dividiu em alíquotas a adição do agente oxidante (KClO4)

e utilizou uma mistura de ácido nítrico com ácido sulfúrico (H2SO4). Essas

modificações geravam um óxido de grafite com elevado grau de oxidação e

simplificavam o sistema (Staudenmaier, 1898). Quase 60 anos depois, veio a

modificação que se tornou referência para exfoliação química até os dias atuais.

Hummers e Offeman, removeram o ácido nítrico, usando somente o ácido sulfúrico, e

passaram a utilizar permanganato de potássio (KMnO4) como agente oxidante com o

auxílio de nitrato de sódio (NaNO3) como agente pré-expansivo do grafite (Hummers

e Offeman, 1958). Dessa forma eles diminuíram os riscos de explosões e eliminaram

a maioria dos gases tóxicos gerados durante a síntese.

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Com o isolamento do grafeno em 2004, os métodos de oxidação do

grafite voltaram a ser tópico de interesse, visando não apenas a oxidação do grafite,

mas também sua exfoliação e possivelmente sua redução. Essas mudanças ficaram

conhecidas como “métodos de Hummers modificado”, onde se utilizam da reação de

Hummers como base para oxidação do grafite, e novos processos são introduzidos

para a obtenção do GO e do rGO. Com isso as mudanças no método de Hummers

deixaram de ser relacionadas apenas a segurança, mas também a qualidade

estrutural do material final e suas variadas aplicações (Ahmad et al., 2018).

Atualmente a principal problemática do método, é relacionada a qualidade do material

final. Isso porque a oxidação auxilia no aumento da distância interplanar através da

inserção dos grupamentos oxigenados (Krishnamoorthy et al., 2013). Isso facilita a

interação com solventes polares e consequentemente a sua exfoliação. Porém, a

inserção ocorre de forma não seletiva em todo o plano do grafite, que leva a geração

diferentes defeitos no material e causa um aumento da desordem na estrutura (Chua

et al., 2012). Isso levanta o questionamento da possibilidade de materiais como

grafeno de alta qualidade serem obtidos através de rotas químicas.

Os métodos modificados de Hummers como explicado, utilizam como

base a reação entre ácido sulfúrico e permanganato de potássio para gerar o agente

oxidante heptóxido de dimanganês (Mn2O7). A reação é exotérmica, causando a um

aumento considerável da temperatura do meio reacional, sendo esse um dos fatores

relevantes para a formação da estrutura do material e geração de defeitos (Eigler, S.

et al., 2014). Por isso, entre os diferentes parâmetros da metodologia, o controle da

temperatura durante o processo aparece como fator relevante. Para a remoção do

excesso de reagente oxidante, ao final da síntese é comumente adicionado uma

solução de peróxido de hidrogênio (H2O2).

As reações são apresentadas nas equações a seguir, sendo 1 e 2 para

a reação do permanganato de potássio com ácido sulfúrico, e a equação 3 para a

reação entre o excesso de oxidante e o peróxido de hidrogênio.

Como explicado, o método de Hummers se tornou base para estudos

sobre exfoliação do grafite, e diferentes modificações na rota foram desenvolvidas.

Como por exemplo, mudanças nas proporções ou troca dos reagentes, diferentes

tempos de oxidação, temperatura, entre outras. Essas modificações deixam de obter

apenas o óxido de grafite, e podem ser utilizadas para gerar o GO e

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consequentemente o rGO. A Figura 10 exemplifica o método de exfoliação química,

passando pelas principais etapas da oxidação, exfoliação e redução.

KMnO4(s) + 6H+(aq) + 3SO4

2-(aq) → K+

(aq) + MnO3+

(aq) + H3O+(aq) + 3HSO4

-(aq)

Equação 1

MnO3+

(aq) + MnO4-(aq) → Mn2O7(aq)

Equação 2

2MnO4-(aq) + 6H+

(g) + 5H2O2(aq) → 2Mn2+(aq) + 8H2O(aq) + 5O2(g)

Equação 3

Figura 10 – Representação da obtenção de óxido de grafeno reduzido (rGO), através da

exfoliação química do grafite, passando pela geração de óxido de grafeno (GO).

Na primeira etapa, temos a inserção dos grupamentos oxigenados nas

folhas de grafeno do grafite, que devido aos fatores discutidos, facilitam a exfoliação

e obtenção do óxido de grafeno (GO). E o último passo do processo, o da redução é

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a remoção dos grupamentos oxigenados da estrutura inseridos durante a oxidação

para obtenção do óxido de grafeno reduzido (rGO) (Jankovský et al., 2016).

Mesmo com os avanços e estudos relacionados ao GO e o rGO, os

mecanismos de formação do material ainda geram debates relacionados a sua

estrutura. Isso é exemplificado pelas diferentes estruturas propostas para este

material, apresentadas na Figura 11. A Figura 11 ilustra as principais propostas para

as ligações dos diferentes grupamentos oxigenados ao plano das folhas de grafeno

no grafite. Cabe aqui ressaltar que nos dias atuais o modelo mais aceito é o de Lerf-

Klinowski (Dreyer et al., 2014). As razões para isso serão discutidas a seguir.

Figura 11 – Sumário dos modelos estruturais do GO propostos.

Fonte: Adaptado de (Dreyer et al., 2014)

A estequiometria do GO bem como os grupamentos oxigenados na

estrutura se altera dependendo do precursor do grafite (pureza, tamanho de flake,

etc), condições de oxidação (método utilizado) e tratamentos no material (Shao et al.,

2012). Na estrutura mais aceita o material possui predominantemente carbonos com

hibridização sp2 similar ao grafeno pristino e carbonos altamente oxigenados com

hibridização sp3 através da ligação entre carbono e grupamentos oxigenados como

as hidroxilas, cetonas e epoxilas que decoram o plano basal formando espécies de

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ilhas (buracos), além de ácidos carboxílicos e carboxilatos presentes nas bordas. As

outras estruturas apresentadas variam principalmente com a relação à extensão da

quantidade de carbonos com hibridização sp2 no plano (Scholz-Boehm comparada a

Ruess), ou a presença de 1,2 epoxilas versus 1,3-éters, ácidos carboxílicos versus

quinonas e outras espécies carbonílicas (Dreyer et al., 2014)

De uma forma geral, todas as estruturas de GO são verdadeiras, uma

vez que, como discutido, as modificações têm impactos diferentes e a qualidade do

material precursor e diferentes condições reacionais da síntese (pH, temperatura,

tempo, etc) podem afetar as tendências ou mecanismos de formação das mesmas.

Isso faz a identificação e quantificação dos grupamentos do GO um estudo desafiador

(Cheng et al., 2012)

Muitos estudos sobre a formação da estrutura do GO baseado nos

métodos modificados de Hummers foram realizados, em partes, devido a reação não

estequiométrica de formação do material final. Diferentes parâmetros deslocam o

potencial químico da reação causando reações paralelas, ao invés da oxidação do

grafite (Eigler, Dotzer e Hirsch, 2012). A disputa entre a oxidação efetiva do material

e formação de defeitos (reações paralelas) é apontada por diferentes fatores durante

a síntese. Entre os principais parâmetros a temperatura do processo aparece como

um fator crucial. Uma vez que a mesma desloca o potencial da reação para a formação

de monóxido e dióxido de carbono (CO e CO2), causando o rompimento da estrutura

do grafeno. Com isso ocorre a remoção de um carbono do plano basal, levando a

formação de um defeito de difícil reestruturação (Eigler, Dotzer, Hirsch, et al., 2012).

A Figura 12 mostra diferentes processos que geram a perda de um

carbono do plano basal gerando monóxido e dióxido de carbono. Alguns dos

mecanismos propostos para a perda do carbono são: a) a formação de um hidrato

levando a geração de dióxido e monóxido de carbono (CO e CO2), b) as trocas entre

os ácidos carboxílicos na estrutura do material e c) o rearranjo das α-acetonas,

liberando carbono e formando ácido carboxílico.

A remoção do carbono do plano basal, causa o rompimento da

hibridização sp2, o que causa aumento da desordem e consequentemente quebra a

simetria dos anéis hexagonais de carbono. Essas mudanças na estrutura podem gerar

os chamados defeitos, que são interpretados como os buracos no plano, e se

estabilizam através das ligações com diferentes grupamentos oxigenados.

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Figura 12 – Mecanismo proposto para geração de CO e CO2 com o aumento da temperatura

em meio aquoso.

Fonte: adaptado de (Eigler, S. et al., 2014)

A Figura 13 apresenta uma imagem de microscopia de transmissão de

alta resolução do GO, em que é possível observar a diferença de oxidação em uma

estrutura do mesmo. Através da análise de um plano basal em uma mesma folha, a

imagem separa regiões com diferentes características. Dessa forma fica claro a

presença de regiões com baixas e altas densidades de grupos oxigenados, regiões

bem preservadas e alguns possíveis rearranjos.

Além da elevação de temperatura, o tempo de oxidação e a adição do

agente oxidante se mostram relevantes para geração de um óxido de grafeno com

estrutura preservada, isso porque novamente se trabalha com o potencial químico da

solução. Para pequenas adições em períodos mais longos, demonstram um favorecer

uma oxidação mais seletiva, quando comparada a adições curtas (Eigler, Enzelberger-

Heim, et al., 2013).

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Figura 13 – Imagem de microscopia eletrônica de transmissão, mostrando as regiões

preservadas (verdes) do plano basal, os buracos (em azul), e as regiões altamente oxidadas

(em vermelho); mostrando a comparação com as simulações do modelo estrutural.

Fonte: adaptado de (Erickson et al., 2010)

Na literatura, destacam-se duas formas de melhorar a qualidade

estrutural do GO (Liu et al., 2015):

I. Controle durante a oxidação, verificando se a preservação plano

basal se propaga até a redução do GO;

II. Tratamentos no material final como annealing ou tratamentos

químicos.

É interessante do ponto de vista prático evitar a adição de mais uma

etapa ao processo de exfoliação. Portanto esse trabalho procurou estudar parâmetros

durante a oxidação e verificar os efeitos até a redução. Além disso, materiais

altamente oxidados, tem uma maior chance de se rearranjar. Os anéis hexagonais se

tornam dois pentágonos e dois heptágonos, que são conhecidos como defeitos de

Stone-Wales. Novamente, a mudança de hibridização afeta as propriedades do

material obtido (Ma et al., 2009). A Figura 14 mostra o possível mecanismo de

rearranjo dos anéis na estrutura.

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Figura 14 – Representação do rearranjo entre os carbonos e a formação do defeito tipo Stone-

Wales.

Fonte: adaptado de (Ma et al., 2009)

O óxido de grafeno reduzido (rGO) é gerado através de reação de

redução do GO. Estudos mostram que a prevenção da geração de defeitos durante

as primeiras etapas (oxidação e exfoliação) podem ser propagadas até a redução. E

dessa forma possibilitar a obtenção de um rGO com melhor qualidade, isto é, com

menor quantidade de defeitos, e uma maior parte do plano basal preservada (Zhang,

P. et al., 2018). Pensando em aplicações, é interessante olharmos para possíveis

modulações de estrutura, voltando as características dos materiais para aplicações

cada vez mais específicas.

Existem diferentes formas de reduzir o GO para rGO, sendo que cada

reagente apresenta um mecanismo diferente e tem um favorecimento de acordo com

o tipo de grupamento oxigenado (Iskandar et al., 2017).

A Figura 15 apresenta alguns dos mecanismos de redução dos

grupamentos oxigenados, e as diferentes possibilidades de reação de acordo com o

redutor utilizado. É reportado que os redutores podem ter um efeito na estrutura final

do material, uma vez que eles tem maior afinidade, ou um favorecimento de reação

com determinado grupamento (Rao et al., 2018). Mas a forma como a redução é

conduzida não se apresenta como um fator determinante para a qualidade do mesmo,

uma vez que a perda de um carbono durante a oxidação é o principal fator associado

a geração dos defeitos que são de difícil reestruturação (Eigler, S. et al., 2014).

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Figura 15 – Possíveis mecanismos de redução do GO pôr a) hidrazina hidratada, b) Ácido

ascórbico e c) tratamentos térmicos.

Fonte: Iskandar et al., 2017

Um dos métodos mais comuns para redução é a utilização de hidrazina

hidratada (N2H4.H2O), onde a reação demonstrada em (a1) se dá através da reação de

Wolff-Kishner. Com o ataque nucleofílico da hidrazina em um grupo funcional

carbonila, resultando em um alceno e a liberação de gás N2. A hidrazina também

causa a abertura do anel epóxido, através da interação entre o reagente com carbono

da parte de trás da epoxila, formando um álcool hidrazínico demonstrado em (a2). O

processo é seguido pela transferência de um hidrogênio para o álcool, resultando na

reestruturação de uma ligação dupla entre os carbonos (C=C), liberando álcool e

diazina (N2H2).

A redução com ácido ascórbico (AA), se dá através do ataque

nucleofílico de duas formas, em (b1) o ataque do oxigênio da hidroxila do AA no álcool

vinílico, reestruturando o anel. E a abertura do anel epóxido de forma similar a

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hidrazina, com o grupamento hidroxila do AA atacando o oxigênio do anel epóxido em

(b2). E por último os processos térmicos (c1 e c2) se dão através da descarboxilização

em processos de aquecimento lentos, que liberam dióxido de carbono e reestruturam

o material.

Portanto, apesar do GO e rGO possuírem estruturas parcialmente

degradadas, eles já apresentam diversas aplicações. É importante ressaltar que os

chamados defeitos são vantajosos para algumas aplicações, e desvantajosas para

outras.

É impressionante a variação nos resultados e nas aplicações que

encontramos para esses materiais. Na área de energia, por exemplo, encontramos

valores bem distintos com GO e rGO indo de 5 F g-1 até 400 F g-1 (Ke e Wang, 2016).

Isso se deve ao número de sistemas desenvolvidos, aos diferentes compósitos

estruturados, estudo dos eletrólitos (para aplicações em energia em geral), e a

qualidade dos materiais obtidos. (Raccichini et al., 2015). A Tabela I mostra diferentes

formas de produzir filmes de GO e rGO, onde vemos as variações nas características

dos mesmos.

Tabela I – Filmes de rGO produzidos através de diferentes procedimentos.

Filme de derivado de grafeno Resistência de

folha/Condutância Transmitância (número de

onda)

Spin-Coating de um filme de rGO 102-103 -1 80% (550 nm)

Dip-Coating GO seguido de redução para rGO 5,5 x 104 -1 70,7% (1000 nm)

Filtração a vácuo do GO seguido de redução 4,3 x 104 -1 73% (550 nm)

Coating por spray de GO modificado 2 x 107 -1 96% (600-1000 nm)

Fonte: adaptado de (Zhu et al., 2010)

A tabela I apresenta alguns resultados para rGO, em que o mesmo foi

produzido de 4 formas diferentes. E fica claro uma variação significativa nos

resultados. Isso demonstra a flexibilidade de aplicações que o material apresenta,

bem como a variada gama de processos em que ele pode ser obtido. Sendo

necessário a compreensão do sistema, desde a produção do GO até sua aplicação.

A tabela II mostra as diferenças estruturais nos óxidos de grafeno (GO)

sintetizados através de modificações nas primeiras rotas de oxidação do grafite

desenvolvidas (Dreyer et al., 2014). Pontuando mais uma vez, que as diferentes rotas,

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geram materiais com diferentes relações entre plano preservado e densidade de

defeitos. Estas relações mostradas podem ser obtidas através de diferentes

caracterizações, como por exemplo a espectroscopia Raman. Sendo essa uma

ferramenta importante na avaliação de estruturas de materiais de carbono (Torrisi et

al., 2018).

Tabela II – Diferenças entre os primeiros métodos de oxidação do grafite.

Método Agente

oxidante Meio

Reacional Razão

entre C/O Razão ID/IG no

Raman Notas

Brodie KClO3 HNO3

fumegante 1,17 0,89 -

Staudenmaier KClO3 HNO3 + H2SO4

- -

KClO3 adicionado em

pequenas porções ao invés de uma adição

Hofmann KClO3 HNO3 1,15 0,87 -

Hummers KMnO4 + NaNO3

H2SO4 conc 0,84 0,87

Modificações eliminam a

necessidade de NaNO3

Fonte: adaptado de (Dreyer et al., 2014)

Novamente, a espectroscopia Raman é uma ferramenta importante

para avaliação de materiais de carbono (Malard et al., 2009). Materiais de carbono

como o GO e o rGO apresentam espectros característicos quando analisados por

essa técnica, uma vez que ele apresenta bandas proeminentes como: a banda D

centrada próxima de 1350 cm-1, a banda G aproximadamente em 1560 cm-1 e a banda

2D aproximadamente em 2600 cm-1. A banda D é comumente associado aos defeitos

na estrutura, ou ruptura da hibridização sp2 que se dá através da inserção dos

grupamentos oxigenados na primeira etapa da exfoliação, gerando ligações com

hibridização sp3 e os “buracos” no plano, também chamados de defeitos de ponto. O

efeito de borda também contribui a intensidade dessa banda. Já a banda G é

relacionada ao plano basal do grafeno intacto com hibridização sp2, ou seja, a

manutenção do plano original (C=C), e a banda 2D e uma relação de segunda ordem

da banda D, que é atribuída a organização estrutural e pode ser relacionada ao

número de camadas se for devidamente tratada (Cancado et al., 2011).

Utilizando as principais bandas do espectro (D e G) é possível

correlacionar as mesmas para obter outras características do material sintetizado

(Malard et al., 2009). Para avaliar a qualidade estrutural dos materiais de carbono, a

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razão entre as bandas D e a banda G chamada de ID/IG, é comumente atribuída ao

grau de “grafitização” da amostra. Quando sua relação apresenta maiores valores, o

material apresenta uma estrutura com maior densidade de defeitos, ou mais

degradada. Consequentemente para valores mais próximos do zero o material obtido

apresenta uma estrutura mais preservada.

A obtenção de um valor médio de ID/IG também possibilita um cálculo

aproximado da distância dos defeitos (LD). Utilizando um valor médio da razão ID/IG e

o comprimento de onda utilizado para aquisição dos espectros é possível obter a

distâncias aproximadas dos defeitos num mesmo plano. É importante ressaltar que a

equação utilizada nesse trabalho, é válida apenas para materiais que apresentem um

valor médio de ID/IG abaixo de 0,5 (Cancado et al., 2011).

1.2. Óxido de cobalto nanoestruturado

O cobalto, se apresenta na natureza em diferentes formas, sendo que a

cobaltita (CoAsS) é sua forma mineral. Mas sua forma mais utilizada é o óxido de

cobalto (Co3O4) devido a relativa simplicidade de síntese e elevada estabilidade

(Kandalkar et al., 2010). Característico dos óxidos de metais transição, o óxido de

cobalto apresenta dois estados de oxidação o Co+2 e o Co+3. As nanoestruturas de

cobalto são bastante estudadas como ânodos ou cátodos de baterias íon/Li+ por

apresentarem boa intercalação com lítio e ter reações de alta reversibilidade (Yuan et

al., 2014). Outra característica interessante é a possibilidade de compostos do tipo

espinélio, onde dois metais com valência diferentes (para o cobalto MxCo3-xO4)

formam um óxido misto, trazendo diferentes propriedades e aplicações (Choi et al.,

2018).

Entre as vantagens para utilização do óxido de cobalto está seu custo

benefício frente a outros materiais capacitivos. Metais como rutênio e platina por

exemplo, tem valores de capacitância superiores, porém são relativamente escassos

e caros. Portanto, devido a versatilidade de estruturas, possibilidades de síntese,

relativa abundância e baixo custo estudos com óxido de cobalto se tornaram

interessante.

Na sua estrutura mais comum, o óxido de cobalto (Co3O4) tem os sítios

tetraédricos ocupados pelo Co2+, e os octaédricos são ocupados pelo Co3+. Com os

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átomos de oxigênio na estrutura completando a estrutura cristalina, formando uma

estrutura cúbica de face centrada, apresentada na Figura 16 a seguir.

Figura 16 – Representação da estrutura cristalina mais comum do óxido de cobalto Co3O4 e

sua célula primitiva.

A formação de um cristal com as duas espécies de óxidos (Co2+ e o Co3+)

é considerada umas das estruturas mais comuns para esse material. Sendo mais

estável o cobalto Co3O4, uma vez que a estrutura de CoO tende a reagir com oxigênio

para se rearranjar. É possível através de tratamentos físicos/químicos mudar as

conformações desse material. A Figura 17 representa a distribuição eletrônica

referente aos dois óxidos mais comuns de cobalto, como citado o Co2+ e o Co3+

De forma simplificada, a Figura 17 mostra a distribuição eletrônica para

os campos cristalinos 8a e 16d, que se dividem em 5 estados degenerados no orbital

d. Com o resultado da distribuição, os átomos de Co3+ estão emparelhados. Já os

átomos de Co2+ possuem 3 elétrons não emparelhados, que geram um momento

magnético (Chen et al., 2011), a estrutura mista do Co3O4 é um semicondutor

paramagnético em temperatura ambiente.

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Figura 17 – Representação da distribuição eletrônica para as estruturas mais usuais do óxido

de cobalto.

Fonte: adaptado de (Chen et al., 2011)

Sobre as aplicações para o óxido de cobalto, a tabela III apresenta as

diferentes estruturas cristalinas e métodos de obtenção de diferentes óxidos de

cobalto, onde temos variações no tamanho das partículas, estrutura cristalina e

morfologia.

Tabela III – Sínteses de materiais de cobalto, mostrando as diferenças de estrutura e tamanho,

de acordo com método e o precursor.

Método de síntese Precursores Morfologia Estrutura Tamanho de

partícula

Redução em meio líquido

CoSO4 microesferas

nanoestruturadas estruturas de flor

HC ou CFC 2-5 µm

- CoSO4 Partícula esféricas ou

amorfas HC e FCC De 100 - 300 nm

- CoCl2 Dentrítos de cobalto HC 30 - 125 µm

- Co(OH)2 Aglomerado de nanoesferas CFC e HC De 56 - 83 nm

Síntese química com auxílio de

plasma Co(OH)2 Particulas esféricas CFC e HC 20 - 200 nm

Método poliol modificado

Co(C2H3O2)2 Estruturas micrométricas constituída por esferas e estrutura como "flores"

HC Em torno de 2

µm

*HC – Hexagonal compacta

**CFC – Cúbica de face centrada

Fonte: adaptado de (Shatrova et al., 2018)

Nanomaterias de cobalto podem ser sintetizados com diferentes

arranjos, como nanofios, nanoesferas, nanoclusters (pequenos agrupamentos) mais

recente nanofolhas, sendo que cada tipo de estrutura apresenta vantagens de acordo

com a aplicação (Pal e Chauhan, 2010). Os nanofios de óxido de cobalto foram

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utilizados por Xu e colaboradores para aumentar a eficiência de baterias íon/Li+ com

aumento de capacidade e estabilidade (Dong et al., 2007).

Já Wang e colaboradores, sintetizaram aglomerados de óxido de

cobalto altamente porosos para aplicações magnéticas e melhor interação em

materiais compósitos (Wang et al., 2010). As duas estruturas são apresentadas na

Figura 18.

Figura 18. Microscopia eletrônica de transmissão (MET) para duas nanoestruturas diferentes

de óxidos de cobalto: em a) óxido de cobalto sintetizado na forma de nanobastões e b) óxido

de cobalto sintetizado como “nanoclusters” um aglomerado poroso em escala nanométrica.

Fonte: adaptado de (Jiao e Frei, 2009)

Uma estrutura semelhante a utilizada por Wang e colaboradores, foi

sintetizada por Frei e Jiao, mas dessa vez para aplicação como catalisador em

reações de redução de oxigênio (Jiao e Frei, 2009). Isso exemplifica as diferentes

aplicações que este óxido metálico apresenta, e sua relativa dependência do tipo de

morfologia de acordo com a aplicação. É importante enfatizar que o precursor dos

óxidos de cobalto é relativamente abundante e os métodos de síntese são

considerados simples e adaptáveis de maneira geral (Yuan et al., 2014).

As estruturas bidimensionais dos óxidos de metal de transição ainda são

pouco exploradas, comparadas a outros materiais 2D (Kalantar-Zadeh et al., 2016).

Devido a elevada área superficial alguns processos químicos podem ser aprimorados,

facilitando processos eletroquímicos, aumentando a eficiência de sensores, entre

outras vantagens que podem ser exploradas (Saadi et al., 2017).

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Olhando para aplicações na área de energia especificamente, os óxidos

de cobalto apresentam valores de capacitância específica relativamente altos (574 F

g-1 para nanotubos de Co3O4), mas em compensação tem baixa ciclabilidade

principalmente em altas densidades de corrente (Xiang et al., 2013). Esse material

como nanoesferas (0D), e nanofios (1D) foi estudado em sistemas de armazenamento

eletroquímico com estruturas mistas de ferro e magnésio, onde a nanoestrutura obtida

apresentava bons valores de capacitância e também um aumento de ciclos do

sistema, e uma melhor intercalação entre eletrólito/material (Sharma et al., 2008). A

quantidade de trabalhos com estruturas 0D, 1D e 3D de diferentes óxidos de cobalto,

onde sistemas apresentam melhoras com relação a sua eficiência em dispositivos de

energia e alguns tipos de sensores é bem relatada na literatura (Yuan et al., 2014). O

principal diferencial das nanofolhas está na elevada área superficial comparada as

outras estruturas citadas, ao mesmo tempo a manutenção da estrutura para aplicação

pode ser um empecilho.

Para a síntese de um óxido de cobalto na sua forma bidimensional (2D)

o método poliol adaptado apresenta um caminho através da “automontagem”, do

cristal de cobalto com confinamento em uma dimensão com auxílio de surfactantes e

um template apropriado.

A Figura 19 ilustra de uma forma geral os processos do método onde: o

material precursor de interesse é adicionado a uma mistura de etanol e água, que

contém um polímero anfifílico solubilizado, através do aumento da temperatura e

pressão utilizando uma autoclave, e com o controle de pH e um álcool de cadeia curta,

o material migra para as micelas do polímero formando uma estrutura com aspecto

de folha (Sun et al., 2014).

Como citado, os estudos com as estruturas bidimensionais (2D) de

diferentes metais de transição são relativamente novos, e diferentes desafios são

propostos na literatura para o desenvolvimento de um material termodinamicamente

estável, que apresente sinergia quando combinado com outros compósitos e/ou

sistemas (Choi et al., 2018). Fazendo necessário primeiramente o estudo da síntese

e dos diferentes parâmetros, verificando a morfologia e todas as principais

características do material, para assim desenvolver um estudo das suas aplicações

de forma eficiente.

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Figura 19 – Representação do método de obtenção de estruturas 2D de metais de transição.

Fonte: adaptado de (Sun et al., 2014)

1.3. Nanocompósitos

Olhando para as vantagens dos materiais quando eles se encontram em

uma escala nanométrica, é interessante verificar como suas propriedades interagem

quando aplicadas em um mesmo sistema. Dessa forma, procurando atender

demandas cada vez mais específica, tornasse interessante o estudo de novos

sistemas. A busca por estruturas com diferentes materiais onde temos uma mudança

de propriedades se dá pela formação de um compósito, e se tratando de dois materiais

nanométricos temos a formação de um nanocompósito.

A área de materiais compósitos é apontada como a tecnologia do futuro

para necessidades atuais. A complexidade no comportamento dessas estruturas é o

que faz essa área das ciências tão interessante. Isso acontece, porque as formas de

se estruturar um novo material não ocorrem de forma direta, ou seja a vantagens de

dois materiais distintos não são simplesmente somadas quando colocamos eles juntos

(Li et al., 2018). Portanto visando sintetizar um nanocompósito com propriedades

aprimoradas aos seus componentes isolados, se faz necessário a busca pela melhor

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rota de síntese, a compreensão da interação entre eles, verificar a melhor forma de

aplicá-lo sem que ocorra a perda das suas propriedades características.

As estruturas do GO e do rGO vem sendo amplamente exploradas na

síntese de nanocompósitos. Suas propriedades e estruturas diferenciadas são bons

“substratos” para um comportamento sinérgico com outros materiais. Sua alta

mobilidade eletrônica é comumente utilizada para aumentar a eficiência dos sistemas

que utilizam óxidos de metais de transição, como o de cobalto (Li et al., 2018). Como

citado os óxidos de cobalto vem sendo amplamente estudados, para aplicações na

área de energia sejam como ânodos para baterias ou como capacitores simétricos ou

assimétricos, onde sua estruturação (tamanho ou forma) ou composição (óxido

simples ou misto) apresenta características diferentes frente a uma quantidade de

variáveis consideráveis (Yi et al., 2018). Compósitos de GO/rGO com óxido de cobalto

são bastante empregados na área de energia. A Figura 20 mostra uma estrutura 3D

utilizando nanopartículas de óxido de cobalto embrulhadas por folhas de rGO para

aplicação como capacitor.

Figura 20. Compósito formado entre nanopartículas de óxido de cobalto e rGO, em a) a

proposta de formação do compósito e b) imagens de microscopia eletrônicas de varredura

(MEV) para o compósito obtido.

Fonte: adaptado de (Choi et al., 2018)

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O trabalho utilizou dois métodos de obtenção dos materiais, usando

óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno reduzido (rGO), mostrando diferenças nas

aplicações, e um aumento de eficiência nas densidades de corrente quanto na vida

útil para aplicações como supercapacitores (Choi et al., 2018).

A aplicação como sensor não enzimático para glicose é bem relatada

entre diferentes nanocompósitos de GO/Co3O4. A Figura 21 a seguir, mostra duas

estruturas diferentes desse compósito para uma mesma aplicação. Sendo um

formado por uma estrutura 3D (aerogel) decorada com óxido de cobalto e a segunda

uma microagulha decorada com o nanocompósito.

Figura 21. Duas aplicações de nanocompósito entre óxido de grafeno e óxido de cobalto,

sendo: a) uma estrutura de aerogel 3D utilizando os dois materiais e b) uma microagulho

decorada com o nanocompósito.

Fonte: adaptado de (Wang et al., 2012)

Os dois trabalhos citados se utilizam da elevada área superficial para

uma aumento na detecção de glicose, através de estruturas diferentes do mesmo

material (Wang et al., 2012). Para o trabalho com a estrutura de “espuma” 3D, ainda

demonstram aplicação do compósito como ânodo de baterias, onde a elevada área

superficial aumenta consideravelmente as propriedades eletroquímicas e

eletrocatalíticas e apresentam elevada área ativa (Dong et al., 2012).

De maneira resumida, é possível encontrar compósitos e

nanocompósitos com diferentes morfologias para esses dois materiais, sendo que sua

aplicação mais comum está relacionada a área de energia, amplamente utilizado em

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ânodos de bateria Ion/Li+ capacitores, supercapacitores (simétricos e assimétricos)

(Kandalkar et al., 2011).

A tabela IV apresenta alguns dos valores que nanocompósitos entre

esses materiais apresentam quando aplicados como supercapacitor:

Tabela IV: Variação nos métodos de obtenção dos nanocompósitos entre grafeno e óxido de

cobalto, com os respectivos resultados.

Co3O4/Derivados de grafeno

Método de síntese Capacitância (Fg-1) Eletrólito KOH

(mol L-1)

Co3O4/rGO 2 processos com auxílio

de surfactantes 164 (1 A.g-1) 6

Co3O4/GO Solução in-situ com

refluxo 478 (5 mV.s-1) 2

Co3O4/GO Síntese assistida com

microondas 243 (10 mV.s-1) 6

Co3O4/GO Síntese assistida com

microondas 317 (10 mV.s-1) 6

Co3O4/rGO Hidrotermal 416 (2 A.g-1) 2

Co3O4/GO Hidrotermal 415 (3 A.g-1) 6

Co3O4/GO 3D Hidrotermal ~1100 (10 A.g-1) 2

Co3O4/rGO NS Hidrotermal 402 (2 A.g-1) 1 Fonte: Adaptado de (Song et al., 2013)

Diferentes trabalhos relatam dados com esses dois nanomateriais,

porém como citado, os estudos envolvendo a estrutura bidimensional (2D) do óxido

de cobalto ainda são pouco explorados.

Portanto pensando na versatilidade dos dois materiais estudados nesse

trabalho, procuramos obter um nanocompósito que possa ser aplicado em várias

áreas relacionadas a energia (sensores, capacitores, baterias etc), com uma

morfologia ainda pouco explorada (2D). Dessa forma reverter a baixa condutividade

para o óxido de cobalto, através da síntese de um nanocompósito com óxido de

grafeno (GO) de alta qualidade, buscando estudar diferentes possibilidades de

aplicação com o desenvolvimento de uma nova arquitetura entre materiais

bidimensionais, o GO/rGO e o óxido de cobalto 2D.

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2 OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho consiste em produzir derivados de

grafeno, GO e rGO com alta qualidade, sintetizar o óxido de cobalto em sua forma

bidimensional (2D), sintetizar nanocompósitos baseados em derivados de grafeno e

óxido de cobalto 2D através de metodologias simples e por fim estudar as

propriedades capacitivas destes materiais.

2.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Portanto os objetivos específicos para o trabalho foram:

a) Sintetizar e caracterizar óxidos de grafeno de alta qualidade pelo método de exfoliação química, estudando os principais parâmetros da metodologia;

b) Sintetizar e caracterizar um óxido de cobalto bidimensional através de uma rota hidrotermal;

c) Sintetizar e caracterizar o nanocompósito entre GO e Co3O4, em uma única etapa;

d) Estudar as aplicações para os materiais desenvolvidos para aplicações na área de energia.

3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

3.1. SÍNTESE DO ÓXIDO DE GRAFENO

Para obtenção do óxido de grafeno (GO), foram feitas duas sínteses

distintas, utilizando a mesma quantidade de reagentes para as duas rotas. Para a

comparação vamos chamar o primeiro método de padrão (GO STD) e o método

desenvolvido de GO alta qualidade (GO HQ).

3.1.1. Oxidação do grafite padrão (STD)

Para o método padrão foi adicionado a um balão de 500 mL, 1 g de

grafite (Graflake, 99%, ≤ 150 μm – Nacional de Grafite) e 60 mL de ácido sulfúrico

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concentrado (H2SO4) (Sigma-Aldrich – 99%) sob agitação e banho de gelo, por 15

minutos. Após esse período, ainda sob banho de gelo (temperatura ≤ 15 °C) foram

adicionados 3,5 g de permanganato de potássio (≥99%, Sigma-Aldrich) por

aproximadamente 15 minutos. O sistema foi retirado do banho e deixado sob agitação

por 120 minutos. Após esse período, o sistema foi recolocado em banho de gelo e

foram adicionados lentamente 200 mL de água deionizada. Ao término da diluição,

uma porção de peróxido de hidrogênio (Synth – 30% m.m-1) foi adicionado para

eliminar o excesso de oxidante. A dispersão ficou em repouso por 24 horas, para então

ser filtrada e lavada com uma série de solventes: 500 mL de água deionizada, 250 mL

solução aquosa de HCl 10%, 250 mL etanol (Sigma-Aldrich) e por último 250 mL de

água deionizada. O sólido obtido foi seco à 100°C por um período de 24 horas. A

Figura 22 resume simplificadamente o sistema.

Figura 22 – Esquema da reação do método de Hummers modificado, utilizada para a obtenção

do GO STD.

Fonte: Elaborada pelo autor.

3.1.2. Oxidação do grafite alta qualidade (HQ)

Para o estudo da metodologia, no segundo processo, foi feito um

controle rigoroso do tempo de adição do reagente oxidante e da temperatura durante

todo o processo. As diferenças nas rotas foram: adição do agente oxidante (KMnO4),

em pequenas alíquotas durante o período de 4 horas; e a temperatura, que se

manteve abaixo de 10 oC durante todo o processo de oxidação ao final, o material foi

filtrado, lavado e seco exatamente como no processo padrão.

A Figura 23 ilustra as principais mudanças realizadas na metodologia de

obtenção do GO HQ.

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Figura 23 – Esquema da reação do método de Hummers modificado.

A Tabela V mostra a comparação dos principais parâmetros, que

segundo a literatura tem influência direta na geração dos diferentes defeitos presentes

na estrutura do material obtido. O tempo de adição do agente oxidante é apontado

como fator importante no deslocamento do potencial químico e a temperatura que

desloca a reação favorecendo reações paralelas como a geração de CO e CO2.

Tabela V - Principais mudanças nas duas sínteses

Método Adição do agente

oxidante Tempo de

oxidação total Temperatura do sistema

Padrão 15 minutos 2h e 15 min Controlada durante a diluição e

adição do oxidante

Alta qualidade

240 minutos 6 horas Mantida abaixo de 10 °C durante todo o processo

3.1.3. Obtenção do óxido de grafeno (GO)

Os óxidos de grafite obtidos nos itens 3.1.1 e 3.1.2 foram dispersos em

água, com o objetivo de produzir os respectivos óxidos de grafeno com concentração

final igual a 1 mg mL-1. O sistema foi sonicado em um banho de ultrassom, (Elmasonic

P) por uma hora com frequência de 37 KHz em 100% de potência a uma temperatura

inferior a 15 °C. Os filmes de GO foram depositados através do método de drop-dry

em diferentes substratos de acordo com a aplicação.

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3.1.4. Obtenção do óxido de grafeno (GO) mecânico

Para isolar os flakes foi utilizado uma transferência através da pressão

do óxido de grafite (Gr-O). O material foi colocado sobre uma fita, e depois comprimido

no substrato (Si/SiO).

3.1.5. Redução do óxido de grafeno

Para a redução do material, foram colocados 400 mL da suspensão de

óxido de grafeno (1 mgmL-1) respectivamente em um balão de 500 mL sob agitação e

refluxo com temperatura de 100 °C. Ao estabilizar a temperatura do sistema 1,3 mL

de hidrazina hidratada foram adicionadas ao sistema. O tempo total de reação foi de

4 horas. Em seguida o material foi lavado com 800 mL de água deionizada e colocado

para secar em estufa há 100 °C por um período de 24 horas. Para a comparação das

rotas, os diferentes óxidos de grafeno obtidos tiveram flakes isolados em substratos

de Si/SiO2, caracterizados, sendo reduzidos no mesmo sistema descrito nesse item,

e caracterizados novamente. A redução dos flakes que foram isolados em substratos

de Si/SiO2 foi realizada em um sistema fechado com vapor de hidrazina (50 µL), há

temperatura constante (100 °C) por um período de 4 horas.

3.2. SÍNTESE DE ÓXIDO DE COBALTO NANOESTRUTURADO

Para síntese das nanofolhas de óxido de cobalto, utilizou-se o método

poliol com auxílio de uma autoclave (Sun et al., 2014). Para isso foram solubilizados

0,2 g de Pluronic P123 (Sigma-Aldrich), em uma mistura de 16,25 mL de etanol

(Sigma-Aldrich) e 1,0 mL de água deionizada. A mistura foi homogeneizada até formar

uma solução transparente. Após esse período 0,125 g de acetato de cobalto

tetrahidradatado (Sigma-Aldrich) e 0,07g de hexametilenotetraamina (Sigma-Aldrich)

foram adicionados a solução que ficou por agitação constante por 15 minutos

formando uma solução levemente roxa. Por último foram adicionados 13 mL de

etilenoglicol (Sigma-Aldrich). O sistema permaneceu sob agitação por 30 minutos e

ao fim desse período a solução ficou em repouso estático por 24 horas. Passado este

tempo, a solução foi então transferida para autoclave de 50 mL e aquecida há 170 °C

por 2 horas. Os produtos da reação foram centrifugados e lavados com água

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deionizada três vezes e etanol três vezes (Synth <99%), uma alíquota do material foi

seco em estufa há 100 °C e a outra permaneceu em uma suspensão com etanol.

Figura 24 – Esquema da reação do através da rota hidrotermal para obtenção do óxido de

cobalto bidimensional (Co3O4-2D)

3.3. SÍNTESE DOS NANOCOMPÓSITOS

A síntese do material in-situ foi feita utilizando o método poliol como

base, onde na formação a mistura água/álcool, a parte aquosa foi substituída por

suspensões de GO 5 mg mL-1.

Figura 25 – Esquema da reação do através da rota hidrotermal para obtenção do

nanocompósito (Co3O4-GOHQ).

3.4. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS E NANOCOMPÓSITOS

3.4.1. Espectroscopia Raman

Para os espectros Raman, foi utilizado espectrômetro Raman alpha300

R UHTS 300 VIS (Witec). A linha de excitação utilizada foi o laser de comprimento de

onda nominal de 532 nm, com potência menor que 2,0 mW. Ao menos 100 espectros

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foram coletados das amostras de GO e rGO com 20 acumulações e tempo de

integração de 1,0 segundo. Para as amostras de óxido de cobalto, 30 espectros foram

coletados. O intervalo de números de onda representativo foi estudado, e verificado

de acordo com a literatura para cada material.

3.4.2. Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR)

Para as análises foi utilizado o espectrofotômetro de infravermelho

modelo Vertex 70 (Bruker) no modo transmitância, para adquirir espectros nas regiões

representativas de cada material, com resolução de 4 cm-1 em 32 acumulações.

As amostras foram preparadas em substratos que não apresentem

bandas na região do infravermelho (ZnSe), para as comparações duas suspensões

de mesma concentração e na mesma quantidade de massa foram preparadas.

3.4.3. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia

dispersiva (EDS)

As imagens de MEV e os espectros EDS foram obtidos em um

microscópio eletrônico de varredura Mira FEG-SEM TESCAN operado a 10 kV com

um detector de feixe de íons. As amostras foram preparadas por drop dry das

respectivas dispersões em substratos de Si/SiO2, secas a 50 °C por 24 horas.

3.4.4. Difração de Raios X (DRX)

As análises de difratometria de raios X dos materiais foram feitas em um

difratômetro de raios X Rigaku Miniflex II, utilizando radiação λCuKα, monocromador

e fendas fixas com 30 kV e 15 mA.

Os materiais foram preprarados na forma de pó, sendo devidamente

secos em estufa há 100 °C por 10 horas.

3.4.5. Espectroscopia de fotoelétrons excitados (XPS)

As análises de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X

foram realizadas em um XPS K-Alpha (Thermo Scientific), com a fonte de raio-X Al Kα

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e monocromador com spot de tamanho variável (30-400 µm com 5 µm de step). Os

espectros gerados foram tratados com o software Thermal Avantage.

3.4.6. Microscopia de força atômica (AFM)

As medidas de microscopia de força atômica foram obtidas em um

equipamento da Bruker-Dimension Icon. As imagens foram adquiridas no modo

contato com uma ponta modelo RTESPA.

3.4.7. Nano-espectroscopia de infravermelho na faixa do infravermelho médio

(s-SNOM)

As espectroscopias de nano-FTIR (s-SNOM) foram obtidas com o auxílio

de um microscópio de campo próximo (modelo NeaSnom), utilizando 4 detectores,

sendo dois deles de mercúrio-cádmio-telúrio (MCT, fabricantes Kolmar Technologies

e Infrared Associetes INC), 1 detector de silício (Thorlabs) e 1 detector Indio-Gálio-

Arsênio (InGaAs, Thorlabs). A fonte de luz visível laser de HeNe (modelo HNL 150L –

15mW 633 nm – Thorlabs). O spot do laser menor que 40 nanômetros.

3.4.8. Análises térmicas

As análises térmicas foram realizadas em atmosfera oxidante (ar

sintético), com rampa de aquecimento de 5 °C min-1 estabilizadas há 30 °C indo até

1000 °C em cadinhos de alumina. Utilizando um equipamento de TA Instruments

Thermal Analysis SDT-Q600

3.4.9. Medidas eletroquímicas (Voltametria cíclica, carga e descarga e

impedância).

As medidas eletroquímicas foram obtidas em um

potenciostato/galvanostato modelo Autolab PGSTAT302N (Metrohm Autolab).

Utilizou-se um sistema simples de três eletrodos, onde para o eletrodo de trabalho

foram feitos filmes dos materiais sintetizados, depositados em um substrato de óxido

de estanho dopado com flúor (FTO), delimitando a área 1 cm2. Como contra-eletrodo,

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utilizou-se um eletrodo comercial de platina e por fim o eletrodo de referência utilizado

foi o de Ag/AgCl. Antes de serem utilizados os filmes depositados tiveram sua massa

aferida em uma balança analítica eletrônica MSU125P-1CE-DU (Sartorius) com

resolução de 10-2 mg. Os eletrólitos empregados foram H2SO4 2 molL-1 e KOH 2 mol

L-1. As medidas foram obtidas em diferentes velocidades de varredura.

Medidas de carga e descarga foram feitas com filmes produzidos da

maneira descrita. A densidade de corrente aplicada foi normalizada pela massa

respectiva de cada filme e a corrente (em Ag-1). A análise de espectroscopia por

impedância eletroquímica foi realizada através da medida de potencial de circuito

aberto (PCA). Com frequência entre 0,01 até 10000 Hz e amplitude de 0,005 vs

referência.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1.1. Óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido

A primeira etapa deste trabalho consiste na verificação da eficiência da

oxidação para as duas sínteses. Para isso, após os materiais serem sintetizados,

foram realizadas uma série de caracterizações, com intuito de comprovar a eficiência

das variações nas estruturas dos óxidos de grafeno obtidos. Conforme descrito

anteriormente, a espectroscopia Raman fornece informações cruciais sobre a

estrutura dos derivados de grafeno. Sendo assim esta foi a primeira caracterização

por nós utilizada. Os espectros Raman, do grafite (precursor) e do GO HQ e GO STD

são apresentados na Figura 26. Nesta figura é possível notar as principais bandas

destes materiais e suas diferenças após os processos de oxidação.

Podemos ver inicialmente, que o espectro do grafite apresenta as

bandas características: D, G e 2D. Tomando atenção à banda D, está se apresenta

com baixa intensidade, indicando uma baixa quantidade de defeitos no material de

partida, por sua vez, a banda G é intensa, e a banda 2D mais intensa no espectro,

onde a banda G se refere as hibridizações sp2 bem estruturadas, e a 2D a organização

estrutural do material.

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Figura 26 – Espectros Raman do grafite precursor (preto), e o material obtido pelas duas rotas

propostas pelo trabalho, óxido de grafeno padrão (vermelho) e óxido de grafeno de alta

qualidade (azul).

Comparando o espectro do grafite com o GO STD, nota-se o aumento

considerável da banda D sendo essa agora mais intensa que a banda G, houve um

alargamento banda G, atribuído a uma maior desordem na estrutura, e a banda 2D

diminui consideravelmente. Portanto, podemos notar um aumento na desordem, uma

vez que a intensidade da banda D aumenta, temos a inserção dos grupamentos

oxigenados contribuindo para este efeito, assim como os defeitos de borda, como foi

previamente discutido. Já quando tomamos atenção para o espectro do GO HQ,

notamos o aumento da banda D, porém ainda com intensidade abaixo da banda G,

fato que não é comum para esse tipo de síntese. Isto deve-se a uma oxidação menos

agressiva e possivelmente até mais seletiva. Notamos também a manutenção do perfil

da banda 2D, o que corrobora com a informação supracitada.

Pequenos deslocamentos nos valores das bandas D e G podem ser

atribuídos a diferença de rugosidade, uma maior desordem de um material para outro

(Dreyer et al., 2014). Além das bandas proeminentes, podemos notar a presença de

bandas menos intensas, como a banda D’. Essa banda aparece como um pequeno

“ombro” da banda G. Ela também faz parte da contribuição da desordem do material

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(banda D original), e pode ser relacionada com o tamanho do domínio grafítico.

Apresentando variações relacionadas a essas características.

A princípio, o método em que o controle da temperatura e da

adição/tempo da oxidação (HQ), apresentou um GO com características diferentes da

metodologia STD. A diferença no comportamento das bandas, chama atenção, uma

vez que a banda atribuída aos defeitos (D) teve um comportamento notavelmente

diferente, indicando em um primeiro momento diferenças nas estruturas dos materiais.

Com o intuito de verificar como seria a oxidação em um flake individual,

foram feitos mapeamentos Raman em diversos flakes, a Figura 27 mostra os

resultados para dois flakes produzidos pelo método padrão, sendo estes resultados

representativos para as demais amostras. As imagens geradas pelos mapeamentos

foram tratadas com auxílio do software MATLAB, onde foi feito um filtro entre a relação

de intensidades das bandas D e G (ID/IG).

Figura 27 – Análise de dois flakes de GO sintetizado pela metodologia padrão (GOSTD) onde:

a e d) Imagem do microscópio óptico do Raman, b e e) Imagem tratada pelo MATLAB pela

razão ID/IG e c e f) espectros Raman de 5 pontos diferentes da amostra.

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Novamente podemos notar um aumento da intensidade da banda D, o

alargamento da banda G e o desaparecimento da banda 2D para o método STD. Esse

comportamento onde a banda D apresenta maior intensidade que a banda G

comumente encontrado na literatura para rotas de exfoliação química (Poh et al.,

2012). A oxidação ocorre majoritariamente no plano basal do grafite, como podemos

ver pela predominância na coloração vermelha no mapeamento causando uma

aumento na desordem em todo material, que é indicado pelas altas intensidades da

banda D em todo o flake (Guerrero-Contreras e Caballero-Briones, 2015).

O mesmo experimento foi realizado para as amostras de GO HQ, e os

resultados são ilustrados na Figura 28.

Figura 28 – Análise de dois flakes de GO sintetizado pela metodologia HQ (GOHQ) onde: a e

d) Imagem do microscópio óptico do Raman, b e e) Imagem tratada pelo MATLAB pela razão

ID/IG e c e f) espectros Raman de 5 pontos diferentes da amostra.

Com a análise é possível verificar que a oxidação foi mais intensa nas

bordas do material, uma tendência que é característica, uma vez que é a região que

apresenta ligações incompletas, sendo assim mais reativa por definição (Eigler, S. et

al., 2014). Mas é interessante notar que o plano basal de fato apresenta um material

levemente oxidado e mais preservado vide a sua cor azulada cujas a relação entre as

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bandas D e G para praticamente todo o flake se mantem abaixo de 0,5; exceto pelas

bordas onde encontramos valores maiores de ID/IG. As alterações da metodologia, de

fato evitaram o deslocamento da reação favorecendo reações paralelas como geração

de CO e CO2, como foi discutido anteriormente. Apesar de ter sido uma das primeiras

caracterizações obtidas, o método denominado HQ apresentou um potencial

interessante, quando comparamos as razões médias de razões de ID/IG = 1,1 ± 0,1

para o GOSTD e 0,43 ± 0,13 para o GOHQ, uma vez que os óxidos de grafeno obtidos

por esse tipo de exfoliação não costumam apresentar estruturas bem preservadas

(Stolyarova et al., 2017).

Os espectros Raman para a metodologia HQ mostram uma oxidação

seletiva ocorrendo na borda e preservando bem o plano basal do GO gerado. As

mudanças propostas levaram a geração de um GO de alta qualidade. O plano basal

do material HQ é muito bem preservado quando comparado ao GOSTD, mostrando

que houve uma eficiência nas mudanças propostas para o método, uma vez que elas

levaram a formação de um material com excelente grau de estruturação através de

uma rota de exfoliação química. Os resultados obtidos são expressivos e inéditos para

esse tipo de material. O tratamento matemático utilizando a razão ID/IG mostra

claramente as cores quentes para o material degradado, e cores mais frias para

maiores graus de estruturação, pontuando as diferenças entre os dois materiais.

Visando comprovar a eficiência da metodologia HQ, um estudo

estatístico foi realizado, onde foram adquiridos 100 espectros em diferentes pontos de

flakes para as duas rotas desenvolvidas. A Figura 29 mostra correlações entre as

razões de ID/IG e a sua ocorrência em termos reais e percentuais. O gráfico apresenta

os valores absolutos, em que os pontos se encontram.

Podemos notar que para o GO HQ ao menos 70% dos pontos estão

abaixo de 0,5 nas relações de ID/IG, enquanto o mesmo percentual para o GOSTD se

encontra entre aproximadamente 1,08. E também que até 55% dos pontos do GOHQ

se encontram abaixo de 0,5. No mesmo percentual para o GO STD, ele apresenta

50% acima de 0,8. Fica claro a diferença na qualidade final do material para as rotas

propostas. Vale ressaltar que a para o método STD, a escala se inicia em 0,7. Com

isso, podemos afirmar que a tendência de formação das duas estruturas dos óxidos

de grafeno, caminham contrariamente. Outro fato importante é que a presença de

altas razões de ID/IG pode ser atribuída a borda, a tendência oposta para as duas

metodologias deixa claro a seletividade de oxidação gerada pelas mudanças no

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método HQ, bem como a tendência a oxidação de todo o plano basal material para o

método STD.

Figura 29 – Estudo de tendência em 100 espectros tratados para comparação dos métodos

HQ e STD onde: a) GOHQ e b) GOSTD.

Dando continuidade a caracterização estrutural dos materiais, foram

feitas análises de espectroscopia por fotoelétrons excitados (XPS) para os materiais

carbonáceos. Através dessa técnica é possível determinar os diferentes grupamentos

presentes nas suas estruturas, a Figura 30 há seguir mostra os dados obtidos da

análise de XPS para os dois óxidos de grafeno sintetizados. A tabela VI apresenta os

valores percentuais das diferentes energias de ligação para os dois óxidos obtidos.

Para a interpretação dos espectros, a deconvolução foi feita de acordo

com as bandas proeminentes em cada espectro. Sendo que as ligações entre

carbonos (C-C) aparecem em aproximadamente 285,1 eV para o método STD e 284,8

para o GOHQ. As ligações entre carbono e oxigênio (C-O) estão atribuídas em 287,7

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eV para o GOSTD e 286,9 eV para o GOHQ (Shao et al., 2012). As bandas

encontradas através da deconvolução são atribuídas a 2 diferentes grupamentos,

sendo esses: cetonas em aproximadamente 288 eV e as carbonilas em 290 eV

(Cheng et al., 2012). Quando comparamos as intensidades das bandas principais,

notamos novamente que para o método HQ a banda relacionada as ligações de

carbono são mais intensas comparadas com as bandas atribuídas as diferentes

ligações de carbono e oxigênio. Novamente, para o método STD ocorre o inverso.

Figura 30 – Análises de XPS para os dois óxidos de grafeno obtidos sendo: a) análise GOSTD

e b) GOHQ.

Tabela VI. Eventos de perda de massa nos óxidos de grafeno obtidos, e no grafite precursor.

PERCENTUAL (%)

ATRIBUIÇÃO Posição GO STD GO HQ

C-C/C=C 285 39,92 50,39

C-O 287 51,81 37,55

C=O 288 6,6 9,08

C(O)O 290 1,67 2,97

Através da relação entre as bandas principais com deconvolução (C-C e

C-O), e fazendo a integral da área abaixo de cada pico com suas devidas

contribuições, podemos obter um valor para a relação entre C/O, que mostra uma

aproximação quantitativa da razão entre carbono e oxigênio no material. O método

STD o valor obtido é de 0,63 e para o método HQ 1,16. Esse valor demonstra uma

maior quantidade de carbono sp2 na estrutura (maior número de ligações C-C,

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comparado aos diferentes grupos C-O) para o GOHQ, mais uma vez mostrando uma

maior preservação do plano basal para o método HQ.

Dando continuidade as caracterizações, foram realizadas as análises de

difração de raios X (DRX) dos óxidos produzidos e do grafite original, apresentados

na Figura 31. As análises de difração são importantes para verificar a eficiência da

oxidação. Uma vez que o grafite apresenta apenas um pico proeminente

característico, atribuído ao plano (002). A partir do surgimento de picos atribuídos a

outros planos, temos a confirmação do aumento da distância interplanar,

demonstrando a eficiência da oxidação.

Figura 31 – Difratogramas de raios X dos materiais de carbono, em vermelho GOSTD, azul

GOHQ e preto grafite (precursor).

O material de partida, bem como os dois óxidos sintetizados apresentam

um pico em 26,32° que são relativos ao plano (002). Porém notamos o surgimento de

de um pico em 10,26° para o GOHQ e 10,46 para o GOSTD que também é atribuído

ao plano (002) de estruturas grafíticas oxidadas. O surgimento do pico em 42,43° é

referente ao plano (100) também característico de estruturas grafíticas (Guerrero-

Contreras e Caballero-Briones, 2015). O segundo pico em 10,26° para o GOHQ e

10,46° para o GOSTD, como discutido demonstra a eficiência da oxidação.

Comparando as intensidades relativas entre os picos entre os mesmos difratogramas,

podemos ver que os valores do pico centrado em 26,32° para o método HQ é mais

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intenso que o pico atribuído a oxidação em aproximadamente 10,26°. Já para o

GOSTD, ocorre o inverso, o pico referente a oxidação em 10,43° é mais intenso que

o plano do grafite original em 26,32°. Sendo um indicativo de que houve uma maior

preservação da estrutura original do grafite durante a oxidação para o GOHQ.

Utilizando a lei de Bragg, é possível calcular a distância interplanar, utilizando a

posição do pico em aproximadamente 11° e o comprimento de onda do raio X

utilizado. Para o GO STD o valor foi de 0,873 nm e para o GO HQ 0,865 nm.

Para verificar a eficiência das exfoliações, foram feitas imagens de

microscopia de força atômica (AFM). Considerando as caracterizações, seria possível

imaginar que o método HQ tivesse um material com baixo grau de oxidação, e

consequentemente não esfoliasse facilmente. A Figura 32 abaixo, mostra as imagens

de AFM para os dois óxidos de grafeno obtido

Figura 32 – Microscopia de força atômica para os óxidos de grafeno obtidos com seus

respectivos perfis de altura sendo: em a) GO STD. e b) GO HQ

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Através da análise das imagens, é possível ver que a uma exfoliação foi

efetiva para os dois materiais (Eigler, Siegfried et al., 2014). O perfil de altura

apresenta flakes de aproximadamente 1 até 6 nm, confirmados pelo perfil de altura. A

análise comprova que os dois materiais são exfoliados com o auxílio de ultrassom e

água como solvente.

Para análise dos grupamentos oxigenados presentas nas estruturas dos

materiais sintetizados, foram feitos espectros por espectroscopia na região do

infravermelho por transformada de Fourier. Os resultados de FTIR são apresentadas

na Figura 33 a seguir.

Figura 33 – Espectros de FTIR para os nanomateriais sintetizados, em vermelho GOSTD e

em azul GOHQ.

Os dois espectros apresentam as bandas representativas para este tipo

de material, sendo a primeira mais evidente em aproximadamente 1732 cm-1

relacionado a C=O em ácidos carboxílicos, em aproximadamente 1570 cm-1 ao

C=C, em 1433 cm-1 são atribuídas as vibração O-H dos ácidos carboxílicos e a

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região entre 1300 até 1000 são referentes aos diferentes grupamentos oxigenados na

estrutura (majoritariamente epóxidos e hidroxilas, C-O) (Eigler, Dotzer, Hirsch, et al.,

2012). A normalização pela quantidade de massa foi feita com intuito de comparar as

intensidades nos espectros. Onde podemos notar que através da relação interbandas

de cada espectro vemos que a banda em 1570 cm-1 é mais intensa quando comparado

com a região dos grupamentos oxigenados para a metodologia HQ. Já no método

padrão o vale atribuído aos diferentes grupamentos oxigenados é mais intenso do que

o estiramento C=C.

Como o esperado, as análises de UV-Vis das dispersões de GO não

mostraram mudanças significativas entre as duas metodologias. As suspensões foram

preparadas em concentrações de 0,5 mgmL-1 utilizando água como solvente. O

espectro de absorção na região do visível, junto com as imagens fotográficas

mostrando as dispersões estáveis são apresentadas na Figura 34.

Figura 34 – a) Espectros eletrônicos das dispersões de GOSTD (em vermelho) e GOHQ (em

azul), b) Imagem das dispersões dos materiais sintetizados.

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É possível ver as duas transições eletrônicas esperadas para estruturas

de GO, sendo a primeira em 230 nm, relacionadas a transição π→ π* entre as ligações

C=C e em 300 nm a transição n → π* atribuída as ligações C-O.

As análises termogravimétricas foram feitas sob atmosfera oxidante,

com o objetivo de verificar a diferença entre os grupamentos oxigenados em cada

amostra, e com isso verificar se houve uma mudança na estabilidade para o material

produzido. A Figura 35 compara as curvas de variação de massa dos materiais

obtidos, com as respectivas derivadas da perda de massa.

Analisando as curvas de variação de massa dos materiais, temos

inicialmente uma queda devido a uma possível hidratação no material, um pouco mais

evidente para o método STD. Em seguida, a partir de aproximadamente 120 °C

iniciasse a saída dos grupamentos oxigenados da estrutura dos materiais (Eigler, S.

et al., 2014). Nesse segundo evento de perda de massa é onde notamos a principal

diferença entre as metodologias, os eventos de perda são exemplificados na Tabela

VII a seguir.

Figura 35 – a) Curvas de TGA das amostras obtidas, comparadas ao grafite original e b) A

derivada da perda de massa (DTG) dos materiais. Linha vermelha para o método STD, azul

para o método HQ e em preto o grafite.

Na região de cadeia carbônica mais oxidada, o método STD teve uma

perda consideravelmente maior, consequentemente menor estabilidade. O método

HQ ocorreu justamente o inverso. Outro detalhe interessante é um terceiro evento que

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ocorre em aproximadamente 750 °C, nítido apenas para o material HQ, que é

referente a degradação da estrutura de carbono (C=C), mostrando uma preservação

maior da estrutura original (Eigler, Dotzer, et al., 2013).

Tabela VII. Eventos de perda de massa nos óxidos de grafeno obtidos, e no grafite precursor.

Eliminação de água

Grupos funcionais

Cadeia carbônica mais

oxidadada Cadeia sp2 preservada

Oxidação da estrutura grafítica

30 - 100 °C 125 - 400 °C 400 - 625 °C 625 - 750 °C 750 - 1000 °C

GO STD 8% 35% 51% 4% 2%

GO HQ 1% 22% 27% 40% 10%

O método HQ apresentou uma estabilidade maior e consequentemente

uma menor perda de massa no segundo processo atribuído a saída dos grupamentos

oxigenados nas estruturas. Corroborando mais uma vez que o material apresenta uma

menor quantidade de grupamentos oxigenados comparado a síntese STD. O GO

obtido pela rota HQ apresentou uma maior estabilidade térmica (± 156 °C) devido a

estrutura de carbono mais preservada (Botas et al., 2013). O grafite por sua vez,

apresenta apenas o processo de oxidação da estrutura grafítica que se inicia em

aproximadamente 800 °C. Através da derivada da perda de massa pela temperatura

(DTG), fica claro os deslocamentos em que os processos ocorrem, novamente, para

o material HQ é possível ver deslocamentos para maiores temperatura em quase

todos os processos. É interessante também ver através da DTG um maior processo

de perda do esqueleto de carbono, que fica mais evidente no método HQ.

Com esses dados comprovamos a diferença na qualidade estrutural dos

dois materiais produzidos. Uma vez que as caracterizações caminham de forma

conjunta, apontando diferenças consideráveis em praticamente todas as técnicas

utilizadas, isto é, o material HQ apresenta uma maior preservação do plano basal, em

relação ao material STD. Com as caracterizações apontando de forma conjunta para

materiais estruturalmente distintos, foram feitas imagens de microscopia eletrônica de

varredura para comparação das sínteses. As imagens obtidas são apresentadas na

Figura 36 a seguir:

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Figura 36 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) para os dois óxidos de

grafeno sintetizados: a) GOSTD e b) GOHQ.

As imagens de MEV para os dois materiais concordam bem com os

reportes da literatura. Uma vez que é possível ver o aspecto de folhas com pequenas

dobras para os dois materiais sintetizados (Dave et al., 2016). As imagens de MEV

junto com os dados de AFM, mostram a diferença de espessura dos flakes para o

material esfoliado. Os materiais mais finos quase transparentes com baixas

espessuras, enquanto alguns pontos regiões em que os materiais apresentam um

maior número de camadas.

Com os resultados das caracterizações até aqui apresentadas, um dos

principais questionamentos foi com relação as principais diferenças da presença dos

grupamentos oxigenados na estrutura. Para tentar elucidar a contribuição dos

grupamentos na estrutura, foram feitas análises de nano-espectroscopia na região do

infravermelho na faixa do infravermelho médio (s-SNOM). As Figuras 37 e 38, são

referentes aos dados de s-SNOM obtidos para o método STD e HQ respectivamente.

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É importante ressaltar, que a técnica faz uso de uma fonte externa para geração do

comprimento de onda na região do infravermelho médio, e por isso, os dados são

apresentados com seus respectivos interferogramas. Para a análise é necessário a

verificação do fitting entre o interferograma e o espectro de absorção gerado pela

análise. Também é uma caracterização incomum, sendo encontrado poucos reportes

similares na literatura. A tabela VIII a seguir, traz as principais atribuições para

interpretação dos resultados.

Tabela VIII – Principais atribuições para FTIR em óxidos de grafeno.

Grupamento Tipo de

vibração Frequência (cm-1) Intensidade

do sinal

C-H dobramento fora do plano

900-690 Forte

C=C estiramento 1475-1600 Média-Fraca

C=O (cetona) estiramento 1725-1705 Forte

C=O (ácido carboxílico) estiramento 1725-1700 Forte

C-O(ácido carboxílico) estiramento 1320-1210 Forte

Fenol primário estiramento 1050 Média

Fenol secundário estiramento 1150 Média

C-O-C (epóxi) estiramento 827 + 1270 (devem

aparecer juntas) Forte

C-O (álcool, éter, éster, ácidos carboxílicos)

estiramento 1300-1100 Forte

Fonte: adaptado de (Pavia et al., 2008)

A tabela VIII apresenta as principais ligações na região em que os óxidos

de grafeno foram analisados. Devido ao maior grau de liberdade, as intensidades das

ligações C-O são mais intensas de forma geral, ou se polarizam mais facilmente. Já

para as diferentes ligações de carbono no plano, temos uma menor intensidade,

novamente, devido ao menor grau de liberdade.

A Figura 37 a seguir apresenta os resultados de s-SNOM para o GO

STD, mostrando uma imagem de microscopia de força atômica do flake que foi

estudado, e 4 diferentes pontos em que os espectros foram obtidos.

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Figura 37 – Imagem de AFM para o óxido de grafeno STD (GO STD), com os respectivos

pontos onde foram obtidos os espectros de nano-espectroscopia na região do infravermelho

(s-SNOM).

A fonte utilizada para análise apresenta uma maior intensidade entre 600

até 1700 cm-1. Por isso era esperado que para o GO STD essa região tivesse uma

maior intensidade das bandas. O resultado comprova uma material com elevado grau

oxidação, uma vez que não há o bending C-H fora do plano que é esperado para

anéis aromáticos nessa região (Pavia et al., 2008). Novamente, assim como no FTIR

temos contribuição dos grupamentos oxigenados característicos do GO, sendo

possível ver uma maior intensidade para hidroxila (ponto 2 e 3 em 1050 cm-1). E

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também verificar a contribuição de epóxidos no ponto 2 (com as bandas em 870 e

1250 cm-1). Na região de absorção média, onde o estiramento C=C se encontra

(1600 até 1545 cm-1) apenas os pontos 1 e 3 apresentam bandas pouco intensas.

Dessa forma, podemos concluir que o plano do material está bem funcionalizado, uma

vez que é possível verificar as bandas atribuídas aos grupamentos oxigenados mais

característicos, porém sem uma resolução bem definida, que pode ser atribuído ao

elevado grau de desordem da amostra. Os espectros de s-SNOM para o GOHQ, são

apresentados na Figura 38. Novamente, a definição das bandas para o material HQ

apresenta um comportamento diferente, o que corrobora com a baixa resolução

devido ao elevado grau de desordem.

Figura 38 – Imagem de AFM para o óxido de grafeno HQ (GOHQ), com os respectivos pontos

onde foram obtidos os espectros de nano-espectroscopia na região do infravermelho (s-

SNOM)

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Para o GO HQ o primeiro ponto que chama atenção é a região entre 600

até 800 cm-1. Como citado, essa é a região atribuída ao bending das ligações C-H e

ao tipo de funcionalização da estrutura. Isso pode ser atribuído a uma menor oxidação

durante a síntese. A definição dos grupamentos oxigenados também é muito mais

clara nos espectros do GO HQ. Porém é importante ressaltar 3 pontos, o primeiro, é

que eles se encontram na região de maior intensidade do feixe, sendo a primeira delas

novamente a região entre 600 até 800 cm-1 atribuído a tipo de funcionalização e ao

bending C-H, a segunda região é com relação a presença dos carboxilatos, hidroxilas

e epóxidos entre 800 até 1290 cm-1. A terceira região, é atribuída ao estiramento das

ligações C=C (1600 até 1450 cm-1), onde podemos notar que as bandas estão bem

presentes em todos os espectros. Considerando que a intensidade de absorção das

ligações C=C é menos intensa comparada as diferentes ligações C-O, o fato dela

estar presente e bem resolvida, comprova uma maior manutenção da hibridização sp2

para o GO HQ.

A região de diferentes ligações de hidroxilas (C-OH) entre 1050 até

1350 cm-1 é presente em todos os espectros. A maior intensidade relacionada ao

grupamento epóxido na borda do flake, pode ser um indicativo de uma possível dobra,

e não uma borda original. Para o flake do GOHQ podemos notar que o ponto 1 no

plano basal, apresenta novamente uma intensidade relativamente alta da ligação

C=C (~1580 cm-1), sendo maior que a intensidade das ligações entre os diferentes

grupamentos C-O (entre 1000 até 800 cm-1). Vale ressaltar que diferentes flakes

foram medidos para os dois materiais, mas apenas os flakes HQ apresentam boa

resolução. Uma possível causa dessa disparidade, novamente, pode estar atrelada a

diferença do grau de desordem dos materiais sintetizados.

Através da análise das diferentes caracterizações, foram feitas

propostas para as estruturas dos óxidos de grafeno obtidos, apresentadas na Figura

39.

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Figura 39 – Estrutura proposta para os óxidos de grafeno sintetizados em a) GOSTD e b)

GOHQ.

A Figura 40 apresenta os flakes de rGO isolados. Para tanto fizemos a

redução dos mesmos flakes de GO apresentados (Figuras 27 e 28), com intuito de

avaliar a qualidade das versões reduzidas.

Figura 40 – Mapeamento Raman dos óxidos de grafeno reduzidos (rGO), dos mesmos flakes

utilizados para análise do GO. Para as imagens a,b e c referente ao rGO STD; e d, e e f para

o rGO HQ. Sendo: a e d) imagem de microscopia ótica do Raman, b e e) Imagem tratada pelo

MATLAB pela razão ID/IG e c e f) espectros Raman de 5 pontos diferentes da amostra.

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Com os resultados obtidos, procuramos verificar se a preservação

durante a oxidação se propaga efetivamente até a redução dos mesmos. Uma vez

que a quantidade de grupamentos oxigenados altera algumas propriedades

(condutividade térmica e elétrica por exemplo). Portanto como foi discutido torna-se

interessante a recuperação dessas propriedades. Na redução dos flakes utilizamos o

sistema descrito no item 3.1.4, e as versões reduzidas dos materiais foram

caracterizadas novamente por espectroscopia Raman e os resultados são

apresentados na Figura 40

Verificando os padrões das bandas para os materiais nos mesmos flake

ilustrados na Figura 27e);e 28e) , notamos uma pequena diminuição da intensidade

ID/IG para a amostra STD ( de 1,01 para 0,87 ), fato esperado, uma vez que durante a

redução, devido remoção de alguns grupamentos pode haver uma pequena

restauração da hibridização sp2 (Zhu, P. et al., 2011). Porém de maneira geral o

material continua com suas relações de ID/IG altas, é ainda mais perceptível se

compararmos ao rGOHQ, que manteve sua estrutura, e ainda apresentou um melhor

grau de estruturação (de 0,42 para 0,36).

Com isso é possível confirmar que os critérios adotados para a

metodologia HQ, geram um material com o plano basal mais preservado, e a

tendência de oxidação majoritariamente nas bordas. É possível também ver que os

cuidados se propagam até a etapa de redução. Sendo assim possível a obtenção de

GO e rGO com uma qualidade estrutural aprimorada comparada aos métodos mais

comuns na literatura.

A rota desenvolvida para síntese de GO e rGO é efetiva na produção de

um material com maior qualidade estrutural. As caracterizações mostram em

diferentes níveis a diferença estrutural entre os dois materiais. Sendo que devido aos

baixos valores médios de ID/IG obtidos, é possível calcular a distância entre os defeitos

em um mesmo flake para o método HQ utilizando a fórmula demonstra a seguir

(Malard et al., 2009):

𝐿𝐷2 (𝑛𝑚2) = (1,8 ± 0,5) × 10−9 𝜆𝐿

4 (𝐼𝐷

𝐼𝐺)

−1

Equação 4

A aproximação geralmente é utilizada apenas para grafenos pristinos

isso porque o cálculo utiliza uma função inversa da razão ID/IG, e para valores médios

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acima de 0,5 não é possível realizar o cálculo (Cancado et al., 2011). Na fórmula LD é

a distância entre defeitos (em nm), a razão 1,8 ± 0,5 x 10-9 foi calculada pelos autores

do trabalho, 𝜆𝐿 4 é o comprimento de onda do laser utilizado e (

𝐼𝐷

𝐼𝐺)

−1

é uma valor médio

da razão entre as bandas D e G. Como a razão ID/IG utiliza uma função inversa, os

valores acima de 0,5 não se enquadram na aproximação.

A figura 41 abaixo, mostra um resumo das características estruturais,

dos dois materiais obtidos e o cálculo da distância de defeitos (LD) para o método HQ.

Figura 41 – a) as relações médias de ID/IG para os dois métodos e b) a distância média entre

os defeitos na estrutura do GOHQ, c) representação esquemático do rGOHQ e d)

representação esquemático do rGOSTD.

Filmes finos depositados em vidro do material HQ foram preparados e

tiveram seus valores de resistência de folhas e transmitância avaliadas, conforme

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apresentado na Figura 42A. Esta mesma figura mostra uma microscopia eletrônica de

varredura de um dos filmes preparados, ilustrado na Figura 42B.

Usualmente filmes de rGO descritos na literatura (Zhu et al., 2010)

apresentam valores de resistência de folha na ordem de k -1, porém os filmes

obtidos pela nova metodologia, apresentaram valores de resistência bem mais baixos

que habitual, -1, corroborando com os resultados apresentados por Raman, um

material mais preservado que o normal. A Tabela I apresentada, é utilizada para

comparação dos valores da literatura, com o material sintetizado.

Figura 42 – a) Relação de transmitância e resistência de folhas para diferentes filmes de rGO

e b) microscopia eletrônica de varredura (MEV) de um dos filmes obtidos.

Com os materiais devidamente caracterizados, testamos a resposta

eletroquímica dos mesmos. Por meio da técnica de voltametria cíclica, utilizando os

materiais sintetizados como eletrodos de trabalho como descrito no item 3.4.9.

Sendo a primeira análise referente ao filme de GOSTD, apresentada na

Figura 43. A Figura 43 apresenta os resultados de voltametria cíclica em diferentes

velocidades de varredura, carga e descarga em 3 diferentes densidades de corrente,

e o gráfico de Nyquist e Bode da análise de impedância de espectroscopia

eletroquímica.

Analisando os dados, é possível identificar voltamogramas

característicos para GO em meio ácido. Uma vez que o material apresenta picos de

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oxidação e redução de baixa intensidade, que são atribuídos a reação entre os

diferentes grupamentos oxigenados na estrutura do material, e o eletrólito ácido.

Também é possível ver que os picos não sofrem um deslocamento significativo, que

pode ser um indicativo da baixa resistência a transferência de carga (Jovanovic et al.,

2017).

Figura 43 – Resultados dos estudos eletroquímicos para GOSTD: Em a) voltametria cíclica

em diferentes velocidades de varredura, b) resultados de carga e descarga em 3 diferentes

densidades de corrente, c) e d) os gráficos de Nyquist e Bode respectivamente da

espectroscopia de impedância eletroquímica. O eletrólito utilizado foi H2SO4 (2 molL-1).

Através dos valores de carga e descarga foram calculados os valores de

capacitância específica dos óxidos de grafeno, por meio da equação apresentada a

seguir:

𝐶𝑚 = 𝐼∆𝑡

Δ𝑉 𝑥 𝑚

Equação 5

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Na fórmula utilizada, 𝛪 é a corrente de descarga, t o tempo de descarga,

V é a razão da janela utilizada e m a massa do filme. O GOSTD, apresentou valores

de capacitância de: 25 F g-1 na menor densidade de corrente (0,1 Ag-1) e 19 F g-1 (0,3

Ag-1) para a maior. Novamente, devido a processos de transferência mais rápidos, há

uma perda de capacitância com as mudanças de densidade de corrente. O perfil das

curvas de carga e descarga se aproxima de uma material de dupla camada elétrica

(DLC), mas também é possível observar a contribuição dos processos de

pseudocapacitância, uma vez que a curva não é totalmente linear (Xu et al., 2015).

Os gráficos de Nyquist e de Bode da espectroscopia de impedância

eletroquímica, consistem na aplicação de uma voltagem alternada com um potencial

de circuito aberto como base. Dessa forma o que se obtém é uma corrente alternada

em função da frequência, e a variação da impedância com a mudança de frequência

(Orazem e Tribollet, 2017). Em valores de alta frequência, o GOSTD mostra-se

inicialmente resistivo, e com a diminuição da frequência ele passa a diminuir a

angulação, apresentando uma característica que pode ser associada a processos de

dupla camada elétrica (Orazem e Tribollet, 2017). Através das medidas de

impedância, é possível obter um circuito equivalente. Considerando os materiais

capacitivos utilizados, o circuito apresenta três elementos, um elemento de fase

constante, um capacitor e um resistor. O circuito é utilizado para obtenção de um valor

de resistência a transferência de cargas.

Passando novamente, pelas mesmas análises feitas para o GOSTD. De

maneira geral, era esperado que o material tivesse características distintas, uma vez

que a quantidade de grupamentos oxigenados na estrutura do material, é diretamente

ligada aos processos eletroquímicos do óxido de grafeno (Jovanovic et al., 2017). Na

Figura 44, mostramos os resultados dos experimentos eletroquímicos para o GOHQ.

As análises das voltametrias para o GO HQ, mostram claramente um

perfil mais próximo de dupla camada elétrica, uma vez que os picos redox não

apresentam a mesma definição quando comparado ao GOSTD. O material STD

apresenta uma melhor definição dos processos eletroquímicos levando em conta o

perfil do voltamograma. A diferença também é visível nos valores de capacitância

obtidos, para o GOSTD obtivemos 30 F g-1 (0,1 Ag-1) e o GO HQ 5 F g-1 (0,1 Ag-1) na

mesma densidade de corrente. Podemos atribuir essas diferenças as reações de

pseudocapacitância, entre o eletrodo e o eletrólito (H2SO4), e uma vez que o material

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STD apresente uma maior quantidade grupamentos oxigenados, é possível que haja

uma somatório dos processos de dupla camada e faradáicos (Ke e Wang, 2016).

Figura 44 – Resultados dos estudos eletroquímicos para GOHQ: Em a) voltametria cíclica em

diferentes velocidades de varredura, b) resultados de carga e descarga em 3 diferentes

densidades de corrente, c) e d) os gráficos de Nyquist e Bode respectivamente da

espectroscopia de impedância eletroquímica. O eletrólito utilizado foi H2SO4 (2 molL-1).

Outra diferença notável é apresentada nos dados de carga e descarga.

O GOSTD leva apresenta uma maior área da curva de carga/descarga, comparado

ao GO HQ. A análise de impedância, mostra um perfil diferente ao do GOSTD, com a

diferença de um aumento de resistividade em baixas frequências, que podem ser

atribuídos a processos de transferência de cargas mais lentos, uma vez que no

material a contribuição de reações faradáicas é menor (Orazem e Tribollet, 2017).

A análise corrobora com as outras caracterizações realizadas, sendo

que para o GOHQ há uma tendência maior em apresentar um comportamento de

dupla camada elétrica, enquanto o STD apresenta uma mistura maior entre

capacitância por dupla camada e reação pseudocapacitivas. A facilidade da de

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transferência de carga pode ser melhor observada através da comparadas dos

gráficos de impedância, a comparação é apresentada na Figura 45.

Comparando as medidas de espectroscopia de impedância

eletroquímica dos óxidos de grafeno obtidos, observa-se por meio do Nyquist que na

região do semicírculo da impedância, para a região de altas frequências o GOHQ

apresenta maior resistividade em relação a resistência e transferência de carga

(Casero et al., 2012). Esse fato mostra, portanto, que esse processo é facilitado para

o GOSTD, consequente de mais sítios ativos na superfície do eletrodo, que pode estar

associado com a maior presença dos grupamentos oxigenados.

Figura 45 – Comparação do gráfico de Nyquist da análise por impedância eletroquímica.

Além disso, para a região de frequências mais baixas, a resposta é

característica processos difusionais associados aos processos pseudacapacitivos.

Para o GOSTD esse mecanismo é iniciado antes que o para o GOHQ, devido ao perfil

linear da curva ser mais próximo a 90º, que indicando uma rápida dissolução de íons

no eletrólito e novamente uma propriedade mais capacitiva. Dessa forma

corroborando os resultados eletroquímicos apresentados anteriormente.

Para a análise do rGO, filmes de GOHQ nas condições descritas no item

3.1.4, foram reduzidos com vapor de hidrazina. Os resultados de voltametria cíclica

para estes materiais são apresentados na Figura 46. Para análise do rGO, o eletrólito

utilizado foi o KOH 2 molL-1.

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Devido à baixa estabilidade dos filmes, o cálculo da capacitância dos

filmes de rGO foi feito através da área do voltamograma obtido. Utilizando a fórmula

apresentada a seguir.

𝐶𝑚 = ∫ 𝐼𝑑𝑣

2𝑚 𝑥 Δ𝑉 𝑥 𝑣

Equação 6

Figura 46 – Voltametria cíclica de filmes de rGO HQ em eletrólito básico (KOH 2 mol L-1L) em

diferentes velocidades de varredura. Para a) rGO STD, b) rGO HQ e c) imagem fotográfica

dos filmes.

Da fórmula utilizada, temos a integral da área do voltamograma (Idv)

dividido pela massa (m), a razão da janela (V) e a velocidade de varredura (v). A

resposta eletroquímica para esse sistema é coerente com a literatura, o rGO

apresenta um perfil sem processos bem definidos no seu voltamograma, e uma

capacitância específica de 30 F.g-1 para o rGO STD e 42 F.g-1 para o rGOHQ para as

maiores velocidades de varredura (Compton e Nguyen, 2010).

Devido a estrutura dos filmes após a redução não foi possível realizar

todas as medidas eletroquímicas. A Figura 46c apresenta a característica de alguns

filmes após a redução. Após algumas medidas, o filme acaba se soltando do substrato.

Uma possível explicação para o problema, é com relação a adesão do rGO ao

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substrato, uma vez removidos os grupamentos oxigenados, e contato entre o

substrato e o material é diminuído. Também devemos considerar o excesso de

material depositado, e possivelmente a permeação do vapor de hidrazina entre o filme

e o substrato, que no sistema fechado pode danificar o filme.

Apesar de ser esperado uma melhora considerável, é possível que o

método utilizado para deposição do filme cause um “empacotamento” de flakes de

rGO aumentando a resistividade, diminuindo assim as propriedades condutoras do

material, e impedindo a penetração do eletrólito em sítios ainda ativos, porém não

acessíveis.

4.1.2. Óxido de Cobalto 2D

Para síntese do óxido de cobalto (Co3O4) foi utilizado como material

precursor o acetato de cobalto [Co(C2H3O2)2], em uma mistura de surfactantes (água,

álcool e etilenoglicol). Para que a síntese ocorra, o material reage com um composto

orgânico o hexametilenotetramina (C6H12N4). Através do auxílio de uma estrutura

micelar (Pluronic P123) sobre altas pressões e temperatura (autoclave), tende a

formar uma estrutura bidimensional (2D). O esquema mostrado a seguir na Figura 47,

exemplifica o método de síntese.

Figura 47. Esquema da síntese do óxido de cobalto 2D, passando pelas 3 principais etapas

do processo.

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Após o término da síntese, o material coletado passa por um processo

de lavagem, ficando em uma suspensão de etanol. O material foi então depositado

nos substratos de acordo para cada processo de caracterização.

Novamente a caracterização inicial utilizada foi a espectroscopia Raman,

isso devido a presença de bandas características do óxido de cobalto bem relatadas

na literatura. O espectro Raman do material obtido ao final do processo é apresentado

na Figura 48.

Figura 48 – Espectro Raman de óxido de cobalto sintetizado (Co3O4).

As bandas proeminentes do espectro mostram uma estrutura cristalina

do material obtido. Os modos vibracionais F2G (514 cm-1) e A1G (671 cm-1)

correspondem ao Co3O4 na sua fase cristalina cúbica, enquanto a banda em 473 cm-

1 é associado ao módulo EG de estruturas de CoO, sendo comum a presença das duas

estruturas em óxidos de cobalto (Tang et al., 2008). Portanto a técnica permitiu

comprovar a formação de um cristal composto uma mistura de diferentes estruturas

de cobalto, a intensidade das bandas indica uma maior presença de Co3O4 (Tang et

al., 2008).

Devido as diferentes fases cristalinas, a análise de difração de raios X

se faz necessária para verificar a composição qualitativa da estrutura do material. A

Figura 49 apresenta o difratograma da estrutura sintetizada.

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Figura 49 – Difratograma de raios X do óxido de cobalto (Co3O4) obtido.

Analisando os principais picos no difratograma, centrados em: 31,3°;

36,9°; 44,8°; 56,7°; 60,2° e 65,2° e atribuídos aos planos (220), (311), (400), (422),

(511) e (400), respectivamente, observamos que estes condizem com a fase cúbica

do óxido de cobalto (JCPDS no. 05-0727). O pico mais intenso referentes ao plano

(311) é característico do material, e o pico centrado em 31,3° do plano (220) é

atribuído a uma pequena porcentagem do óxido em uma fase cristalina diferente

(CoO), corroborando dessa forma com os dados obtidos através da espectroscopia

Raman (Sun et al., 2015).

A análise de espectroscopia de fotoelétrons excitados (XPS) para o

óxido de cobalto é importante para a confirmação da estrutura obtida. Uma vez que é

possível verificar a presença das energias de ligações para os dois diferentes estados

do cobalto na estrutura (Co2+ e Co3+). O espectro de XPS para o Co3O4 (Co2p) é

apresentada na Figura 50.

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Figura 50 – Espectro de fotoelétrons excitados (XPS) para Co2p.

As análises de XPS de alta resolução para Co2p mostram duas energias

de ligação predominantes em 796,9 eV e 781,1 eV. As ligações são atribuídas a

presença de Co+2 e Co+3 respectivamente. A deconvolução da banda com energia em

781,1 eV é atribuída a presença das diferentes valências em estruturas de óxido de

cobalto. Já as bandas em 802,7 e 786,4 eV são apontadas como estruturas satélite

em materiais de cobalto (He e Tao, 2018).

Novamente as caracterizações realizadas apontam para a formação de

uma estrutura de óxido de cobalto clássica (Co3O4) na sua fase cúbica, com os dados

de acordo com as comparações encontradas na literatura para esse tipo de material.

A análise de termogravimétrica foi realizada, como descrito no item 3.4.6,

e está ilustrada na Figura 51.

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Figura 51 – Análise termogravimétrica do óxido de cobalto.

O primeiro evento de perda de massa entre 0 até 100 °C é relacionado

a evaporação de solvente residual bem como água adsorvida no óxido. Em seguida o

material tende a se manter estável até aproximadamente 900 °C, onde ocorre um

processo de decomposição associado à transformação de uma estrutura cúbica

(Co3O4) em óxido de cobalto com estrutura coo. A reação ilustrada na equação 6,

mostra como deve ocorrer este processo (Tang et al., 2008).

2 Co3O4 (s) ∆→ 6 CoO (s) +O2 (g)

Equação 7

Suspensões do material foram preparadas em diferentes concentrações

para serem caracterizadas por espectroscopia de infravermelho por transformada de

Fourier (FTIR) e espectroscopia de ultravioleta na região do visível (UV-Vis) Figura

52.

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Figura 52 – a) Espectro eletrônico na região do visível (UV-Vis) da dispersão de Co3O4 e b)

espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) para o Co3O4.

A espectroscopia UV-Vis apresentada em 52a) é usada para obtenção

das energias de band-gap nas estruturas de cobalto que são calculados através da

fórmula apresentada a seguir:

(𝛼ℎ𝜐)𝑛 = 𝐵(ℎ𝜐 − 𝐸𝑔)

Equação 7

Para o cobalto bulk, os valores reportados são de 2,85 e 1,70 eV

respectivamente (Sarfraz., et al 2014). Na fórmula, ℎ𝜐 é referente a energia do fóton,

𝛼 é o coeficiente de absorção, B a constante relativa do material e n o valor que

depende da transição do material, sendo 2 para transições diretas permitidas, 2/3 para

transições diretas não permitidas e 1/2 para transição indireta permitida (Pal e

Chauhan, 2010). As transições eletrônicas em 441 (band-gap = 2,28 eV) e 738 (band-

gap = 1,44 eV) são atribuídas aos dois processos de transferência de elétron entre

cobalto e oxigênio sendo respectivamente:

i. O+2 → Co+2 em 441 nm;

ii. O+2 → Co+3 em 738 nm.

A mudança nos valores é diretamente ligada a menor distância do band-

gap, ou seja, devido a nova densidade de estados na estrutura, a transferência de

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elétrons apresenta valores de menor energia. Na Figura 52b) é apresentado o

espectro de FTIR do óxido de cobalto sintetizado. Apesar da baixa intensidade das

bandas, o vale formado entre 400 até aproximadamente 500 cm-1, bem como as duas

pequenas bandas em 574 e 615 cm-1 respectivamente, são atribuídas a estruturas de

óxido de cobalto. Mais especificamente aos módulos vibracionais do cobalto na fase

cúbica (CoO) (Tang et al., 2008).

Com a parte estrutural caracterizada, suspensões do material foram

depositadas em substratos de sio/SiO2 para serem obtidas as imagens de

microscopia eletrônica de varredura (MEV), apresentadas a seguir na Figura 53.

Figura 53 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) das diferentes morfologias

do óxido de cobalto.

As imagens comprovam a síntese de um material na sua forma nano. É

possível notar diferentes formas, algumas estruturas relativamente planas, outras com

característica de “pétalas”, em todas podemos ver a presença de dobras ou rugas

características para esse tipo de nanoestrutura, conforme descrito por Xiao e

colaboradores (Xiao et al., 2016).

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Após a confirmação da obtenção do óxido de cobalto na sua forma

nanométrica, era necessário confirmar se o material se apresentava de forma

bidimensional. Para avaliar a morfologia do material foram feitas imagens de

microscopia de força atômica, apresentadas na Figura 54.

Figura 54 – Em a) Microscopia de força atômica (AFM) do óxido de cobalto sintetizado, e b) o

respectivo perfil de altura.

As imagens de AFM comprovam o caráter nanométrico do óxido de

cobalto sintetizado. O perfil de altura mostra diferenças consideráveis com relação ao

material. Em alguns pontos, ele chegar a ter a altura próximo a 1 nm em outros 12 nm.

Podendo ser um indício de uma possível sobreposição de camadas em alguns pontos.

É importante ressaltar o perfil de altura em todas as imagens obtidas,

ainda que haja um empilhamento aleatório do material, ela apresenta altura máxima

de 32 nm, e para as regiões especificadas.

Com os resultados, das caracterizações do óxido de cobalto obtido, foi

avaliado seu comportamento eletroquímico. Novamente os eletrodos de trabalho

foram produzidos como descrito no item 3.4.9; os resultados das análises

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eletroquímicas são apresentados na Figura 55. O eletrólito utilizado para as medidas

foi KOH 2 molL-1.

A estruturação dos filmes para esse material apresentou algumas

problemáticas pelo sistema de drop-dry. Os filmes eram relativamente finos, e

conforme aumentava a quantidade de material depositado, o material tendia a se

tornar quebradiço. Apesar disso, os materiais apresentaram processos característicos

atribuídos aos pares redox para o óxido de cobalto. A estrutura formada do óxido

reage em eletrólito básico aquoso através das seguintes equações (Xu et al., 2010):

Co3O4 + OH- + H2O 3CoOOH + e-

Equação 8

CoOOH + OH- CoO2 + H2O + e-

Equação 9

Figura 55 – Análises do comportamento eletroquímica do óxido de cobalto obtido. Sendo a)

voltamograma em diferentes velocidades de varredura, b) medidas de carga e descarga e c)

e d) gráfico de Nyquist e Bode da análise de espectroscopia de impedância eletroquímica.

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O processo é reversível e não linear, sendo primeiramente atribuído a

oxidação inicialmente em 0,08 V para 5 mV.s-1 e consequente redução em -0,01 V

(Wang, D. et al., 2011). Em um primeiro momento a hidroxila intercala no interstício

octaédrico do Co3+, formando um produto intermediário o oxi-hidróxido de cobalto e

liberando um elétron. No processo reverso, temos o oxi-hidróxido de cobalto reagindo

novamente com a hidroxila do eletrólito, formando dessa vez o Co4+, sendo esse um

produto instável da reação que depois passa novamente a Co3+. Os deslocamentos

nos picos de oxidação e redução do material, são atribuídas ao coeficiente de difusão

iônica que o material apresenta nas diferentes velocidades de varredura (Jagadale et

al., 2013).

Utilizando os valores das curvas de carga e descarga da Figura 55b), e

a equação 5 apresentada, obtivemos valores de capacitância específica, para

menores densidades de corrente (0,1 A.g-1), o material apresentou 32 F.g-1. Onde o

material apresentou uma curva de carga/descarga característico de processos

faradáicos.

Para a análise da impedância, o gráfico de Nyquist na Figura 55c)

apresenta um perfil linear, próximo a um ângulo de 90°, de altas frequências para

valores de baixa frequência. Esse comportamento pode ser atribuído a um material

puramente capacitivo, usualmente óxidos de cobalto apresentam um pequeno

semicírculo nas regiões de baixa frequência, relacionados aos processos entre o

sistema material-substrato-eletrólito. Uma explicação para o comportamento, pode ser

com relação a uma má interação do substrato com o material, e a dificuldade de

difusão dos íons na interface (Rakhi et al., 2012). O circuito equivalente apresenta um

valor para resistência a transferência de cargas de 11,6 .

4.1.3. Nanocompósito

Após a confirmação da síntese do óxido de grafeno de alta qualidade

(GO HQ) e de um óxido de cobalto nanoestuturado (Co3O4–2D). Foi verificado a

possibilidade da obtenção de um nanocompósito entre os materiais sintetizados. O

estudo foi elaborado através de uma adaptação simples do método poliol utilizado

para obtenção do óxido de cobalto nanoestruturado. Durante a etapa da diluição do

pluronic P123 (micela anfifílica) na mistura de água e álcool, a parte aquosa foi

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substituída por uma suspensão de GO HQ 5 mgmL-1 (Sun et al., 2014). Com o

propósito de obter um nanocompósito em uma única etapa.

Novamente iniciamos a avaliação através da análise dos espectros

Raman, onde notamos a presença das bandas características dos dois materiais,

ilustrados a seguir na Figura 56.

Como discutido anteriormente, as bandas características dos dois

materiais adicionados a autoclave aparecem claramente no espectro. Os valores de

ID/IG no nanocompósito apresentem 3 diferentes relações de intensidade. A variação

da intensidade das bandas características dos materiais presentes, pode ser um

indicativo de diferentes interações entre as estruturas do óxido de grafeno e o óxido

de cobalto. Dessa forma obtendo uma amostra heterogênea em termos relação de

intensidade de bandas, sendo os três espectros apresentados acima os mais

representativos.

Figura 56 – Espectros Raman do nanocompósito sintetizado (Co3O4-GOHQ).

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Com indícios claros da mudança de comportamento dos materiais

quando estudados juntos. As caracterizações foram feitas para o nanocompósito entre

o GO HQ e o Co3O4.

A análise de difração de raio x para o compósito está apresentada na

Figura 57. O difratograma obtido, apresenta o pico relacionado ao GO em

aproximadamente 11°, porém os picos atribuídos a estrutura cristalina do óxido de

cobalto não estão tão evidentes, no lugar aparecem picos largos em

aproximadamente 25° e 36°, que pode ser atribuído a intercalações entre os

nanomateriais.

Figura 57 – Difratograma do nanocompósito Co3O4-GOHQ obtido, comparado com os

respectivos materiais sintetizados.

As análises de FTIR, também apresentaram variações consideráveis,

quando comparamos aos materiais isolados, como mostra a Figura 58 a seguir.

Primeiramente notasse o deslocamento de todas as bandas a menores

números de onda. A região dos grupamentos oxigenados (800 até 1300 cm-1) diminui,

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a duas pequenas bandas são encontradas em 1109 e 1143 relacionadas (C-O) e

(C-OH) respectivamente (Wang, H.-W. et al., 2011). As bandas do GO claramente

presentes, porém um como citado há um deslocamento e o aparecimento de uma

banda mais intensa em 1358 cm-1. O deslocamento pode ser apontado pela interação

entre as moléculas de óxido de cobalto e GO, bem como a menor mobilidade para as

vibrações dos grupamentos oxigenados, diminuindo a intensidade das bandas

referentes aos grupamentos. Portanto, existe uma interação entre o GO e o óxido de

cobalto sintetizado (Yang et al., 2010).

Figura 58 – Análise de FTIR do nanocompósito Co3O4-GOHQ.

É possível notar que as caracterizações no geral mostram interações

entre os materiais no nanocompósito. A análise de termogravimetria do material,

também apontou mudanças comparado ao comportamento dos materiais isolados,

apresentado na Figura 59.

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Figura 59 – a) Análise termogravimétrica do nanocompósito Co3O4-GOHQ e b) a derivada da

massa pela temperatura (DTG).

No início da perda de massa, é possível ver uma diferença na

estabilidade quando comparada com o GOHQ isolado apresentado na Figura 35.

Dando indícios que algum reagente que não foi completamente removido pelo método

de lavagem, o que corrobora com os dados de DRX. Também é possível ver a

pequena perda de massa com relação a geração de CoO.

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi realizada com o objetivo

de verificar a forma como se apresentavam o nanocompósito. Na imagem é possível

ver os materiais bem distribuídos, com três perfis, sendo: em A) podemos ver o

material com aspecto de enrugado, sem uma forma concreta já em B) o material se

apresenta com contorno de um flake com seu plano decorado por pétalas, e por último

em C) conseguimos ver os dois padrões citados (nuvens e flake decorado por folhas).

Porém, em um primeiro instante devido a aparência dos nanomaterias

obtidos não foi possível diferenciar os componentes da estrutura, como mostra a

Figura 60.

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Figura 60 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) para o nanocompósito

Co3O4-GOHQ sintetizado.

Devido a morfologia semelhante dos nanomateriais utilizados para

formar o nanocompósito, onde os dois se apresentam como folhas, e possuem perfis

enrugados. Seria praticamente impossível distinguir os materiais nas imagens.

Com auxílio da análise de espectroscopia de energia dispersiva (EDS),

conseguimos comprovar a presença dos dois materiais utilizados, bem como uma

relativa homogeneidade no material produzido, a análise mostra a presença das bases

dos dois materiais (C, Co e O) bem distribuídas por todo material, e também confirma

sua estrutura em escalas nanométricas.

Novamente, após a confirmação da síntese do nanocompósito,

avaliamos a sua propriedade eletroquímica, repetindo os mesmos ensaios realizados

para os materiais puros, porém agora para o nanocompósito recém-sintetizado. O

eletrodo foi montado sobre um substrato condutor com o material o nanocompósito

depositado, feito seguindo a metodologia explicada no item 3.4.7. Os resultados

obtidos apresentam um voltamograma com as características do óxido de cobalto.

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Porém, comparado com o material branco, houve um aumento da área ativa, que

indica uma facilitação da difusão iônica, que é demonstrada pela maior densidade de

corrente durante medida (Yang et al., 2010). Os dados são apresentados na Figura

61.

Figura 61 – Análises do comportamento eletroquímica do nanocompósito Co3O4-GOHQ.

Sendo: a) voltamograma em diferentes velocidades de varredura, b) medidas de carga e

descarga, c) e d) gráficos de Nyquist e Bode respectivamente da análise de espectroscopia

de impedância eletroquímica.

Para o nanocompósito houve um aumento da intensidade dos processos

associados ao óxido de cobalto, o óxido puro apresentava entre 25 e 30 F g-1,

enquanto o nanocompósito apresentou 95 F g-1 de capacitância específica, calculados

pelo valor de descarga com a equação 5. Esse fato pode ser apontado por dois

motivos, uma maior intercalação entre o material e o eletrólito, e facilidade da troca

eletrônica devido a nova estrutura (Yang et al., 2010). As medidas de carga e descarga

apresentaram uma performance superior aos materiais isolados. Comparando ao

melhor resultado apresentado nesse trabalho (GO STD) na densidade de corrente 0,1

Ag-1. O gráfico de Nyquist obtido através da medida de impedância, apresenta um

comportamento linear, similar ao óxido de cobalto puro. Voltando a ter uma menor

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angulação nas regiões de baixa frequência, que pode ser atribuído a uma participação

dos processos de dupla camada do GO HQ.

A Figura 62 exemplifica a mudança de comportamento, entre o GO HQ,

o óxido de cobalto puro e o nanocompósito em eletrólito básico (KOH 2 molL-1), e

velocidade de varredura 20 mVs-1.

A voltametria cíclica dos matérias apresenta uma diferença nas suas

densidades de correntes. Como citato isso mostra uma maior facilidade de difusão

dos íons/material ativo. A facilitação da troca iônica pode ser devido a estrutura

formada pelo material Co3O4-GOHQ. Apesar do GOHQ apresentar uma característica

mais resistiva, ele ainda assim pode facilitar os processos de transferência de carga,

prevenindo aglomerações do Co3O4, e facilitando o acesso a sítios antes inativos (Xie

et al., 2013) .

Figura 62 – Em a) Comparativo do voltamograma cíclico e b) comparativo das análises de

impedância (Nyquist) sendo: GOHQ (preto), Co3O4 puro (vermelho) e o nanocompósito (azul)

em eletrólito básico e velocidade de varredura 20 mVs-1.

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A espectroscopia de impedância eletroquímica novamente comprova os

resultados obtidos com as curvas de voltametria ciclíca. No plot do Nyquist, na região

de alta frequência no inset, nota-se menor resistência a transferência de carga para

esse material quando comparado com as amostras padrões. Já na região de baixa

frequência o comportamento eletroquímico do nanocompósito e do óxido de cobalto

são semelhantes. É possível notar que o óxido realiza os processos difusionais um

pouco mais rápido (devido a diferença angular). Essa característica ressalta que a

melhor performance eletroquímica do nanocompósito, ocorre principalmente com a

contribuição do óxido, diminuindo a resistência do sistema e aumentando a

difusividade. Também é podemos verificar uma pequena variação na região dos

processos pseucapacitivos, onde ocorre um maior efeito da presença do GO, para

esse material esses processos são menos favoráveis do que para os óxidos metálicos

por exemplo.

A Figura 63 mostra a estabilidade dos filmes, através de medidas de

voltametrias cíclicas. Para cada material foram feitos 100 ciclos a 20 mV s-1. Todos os

materiais respondem até o final do último ciclo, porém, os filmes de Co3O4-2D tem

apresentam lixiviações, e com o decorrer da medida eles vão se desprendendo.

Figura 63 –Comparativo da mudança de capacitância pelo número de ciclos para os materiais

sendo: a) GO STD, b) GO HQ, c) Co3O4-2D e d) Co3O4-GO HQ. A velocidade de varredura 20

mVs-1.

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Para as medidas dos óxidos de grafeno foi utilizado eletrólito ácido

(H2SO4 2 mol L-1) e para o óxido de cobalto e o nanocompósito eletrólito básico (KOH

2 mol L-1). O cálculo dos valores de capacitância foi feito utilizando a fórmula descrita

na equação 6. É interessante notar um aumento quase linear dos valores de

capacitância com o número de ciclos, uma das explicações é com relação a espessura

dos filmes. Uma vez que os filmes sejam relativamente espessos e rugosos, com o

maior número de ciclos, o eletrólito passa ter uma melhor permeação, dessa forma,

apresentando um aumento de valor. Após as medidas os filmes de óxidos de grafeno

e o nanocompósito ainda podem ser utilizados, apresentando respostas similares. Já

os filmes de óxido de cobalto, se desprendem ou são totalmente degradados pelas

medidas.

Ainda que os materiais apresentem uma melhor quando aplicados como

nanocompósito, vale ressaltar a simplicidade envolvida nos processos estudados.

Uma vez que os materiais foram aplicados praticamente sem nenhum tratamento, e

em um sistema simples, deixando assim uma grande margem para estudos, e

diferentes aplicações.

5 CONCLUSÕES

O trabalho teve como objetivo, sintetizar e caracterizar materiais com

estruturas bidimensionais, sendo dois óxidos de grafeno (HQ e STD), óxido de cobalto

e um nanocompósito entre eles.

Mostramos que através de um estudo na etapa de oxidação é possível

obter um óxido de grafeno (GO HQ) com elevado grau de estruturação. A razão de

ID/IG média de aproximadamente 0,43 ± 0,13. O material apresenta uma característica

inédita para essa rota de síntese, e ainda não há na literatura nenhum material com

esse nível de estrutura. Da forma como as caracterizações se apresentam, temos uma

oxidação mais seletiva, tentando a ocorrer majoritariamente na borda dos flakes e

preservando o plano basal.

Mostramos também os cuidados durante a oxidação se propagam até a

redução do material. Ou seja o óxido de grafeno reduzido (rGO HQ) quando obtido

através dessa rota, mantém e em alguns pontos até tem sua estrutura melhorada após

a redução.

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Foi demonstrada uma adaptação no método poliol em que é possível

através de uma síntese simples obter um óxido de cobalto bidimensional. Onde

apresentamos alguns pontos importantes com relação a manutenção da estrutura 2D.

Através da análise de AFM foi possível verificar o aspecto nanométrico do material,

porem com uma possível variação de morfologia.

O nanocompósito foi obtido em uma única etapa de reação, através das

caracterizações podemos ver uma distribuição relativamente homogênea entre os

dois materiais estudados. E o material sintetizado apresentou uma eficiência nas

caracterizações eletroquímicas, comparado aos materiais isolados.

Os materiais sintetizados no trabalho apresentam possibilidades de

aplicação, tanto isolados, quanto em conjunto em diferentes arranjos (ex: GO

HQ/Co3O4; rGO HQ/Co3O4). Apesar dos resultados com relação aos estudos

eletroquímicos não serem os desejados, todos os materiais obtidos apresentam

valores aplicáveis na área de energia. Os materiais utilizados nesse trabalho são

versáteis, apresentando aplicações variadas, como sensores, baterias, moduladores

óticos, entre outros. Vale ressaltar a possibilidade de melhora do nanocompósito

sintetizado, e dos materiais isolados visando aplicações específicas.

Dessa forma o trabalho conclui atingindo os objetivos de síntese, e

deixando margem para os estudos de aplicação.

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WANG, G. et al. Highly ordered mesoporous cobalt oxide nanostructures: synthesis, characterisation, magnetic properties, and applications for electrochemical energy devices. Chemistry, v. 16, n. 36, p. 11020-7, Sep 24 2010.

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98

WANG, H.-W. et al. Preparation of reduced graphene oxide/cobalt oxide composites and their enhanced capacitive behaviors by homogeneous incorporation of reduced graphene oxide sheets in cobalt oxide matrix. Materials Chemistry and Physics, v. 130, n. 1-2, p. 672-679, 2011.

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YANG, S. et al. Fabrication of cobalt and cobalt oxide/graphene composites: towards high-performance anode materials for lithium ion batteries. ChemSusChem, v. 3, n. 2, p. 236-9, Feb 22 2010.

YI, C.-Q. et al. Recent advances in pseudocapacitor electrode materials: Transition metal oxides and nitrides. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, v. 28, n. 10, p. 1980-2001, 2018.

YIN, B. S. et al. In Situ Growth of Free-Standing All Metal Oxide Asymmetric Supercapacitor. ACS Appl Mater Interfaces, v. 8, n. 39, p. 26019-26029, Oct 5 2016.

YUAN, C. et al. Mixed transition-metal oxides: design, synthesis, and energy-related applications. Angew Chem Int Ed Engl, v. 53, n. 6, p. 1488-504, Feb 3 2014.

ZHANG, H. et al. One-pot synthesis of graphite/MnO2 hybrids and electrochemical supercapacitor performance on different substrates. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, v. 29, n. 16, p. 13681-13686, 2018.

ZHANG, P. et al. Recent Advances in Effective Reduction of Graphene Oxide for Highly Improved Performance Toward Electrochemical Energy Storage. Energy & Environmental Materials, v. 1, n. 1, p. 5-12, 2018.

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99

ZHONG, Y. L. et al. Scalable production of graphene via wet chemistry: progress and challenges. Materials Today, v. 18, n. 2, p. 73-78, 2015.

ZHU, J. et al. Cobalt Oxide Nanowall Arrays on Reduced Graphene Oxide Sheets with Controlled Phase, Grain Size, and Porosity for Li-Ion Battery Electrodes. The Journal of Physical Chemistry C, v. 115, n. 16, p. 8400-8406, 2011.

ZHU, P. et al. Experimental study on the reducibility of graphene oxide by hydrazine hydrate. Physica B: Condensed Matter, v. 406, n. 3, p. 498-502, 2011.

ZHU, Y. et al. Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications. Adv Mater, v. 22, n. 35, p. 3906-24, Sep 15 2010.

ANEXO I – PUBLICAÇÕES E PATENTES ENTRE 2017 e 2019

1 GEROSA, RODRIGO M. ; STEINBERG, DAVID ; NAGAOKA, DANILO A. ; ZAPATA, JUAN

D. ; DOMINGUES, SERGIO H. ; THOROH DE SOUZA, EUNÉZIO A. ; SAITO, LÚCIA A.M. .

Liquid phase exfoliated black phosphorus and reduced graphene oxide polymer-based

saturable absorbers fabrication using the droplet method for mode-locking applications.

OPTICS AND LASER TECHNOLOGY , v. 106, p. 107-112, 2018.

2 MUÑOZ, PABLO A.R. ; OLIVEIRA, C. F. P. ; AMORIN, L. G. ; RODRIGUEZ, C. L.

; NAGAOKA, D. A. ; TAVARES, M. I. B. ; DOMINGUES, SERGIO H. ; ANDRADE, R. E. ;

FECHINE, GUILHERMINO J. M. . Novel improvement in processing of polymer

nanocomposite based on 2D materials as fillers. Express Polymer Letters , v. 12, p. 930-

945, 2018.

3 DE OLIVEIRA, CAMILA F. P. ; MUÑOZ, PABLO A.R. ; DOS SANTOS, MICHELLE C.C. ;

MEDEIROS, GABRIELA S. ; SIMIONATO, AMANDA ; NAGAOKA, DANILO A. ; DE SOUZA,

EUNÉZIO A. T. ; DOMINGUES, SERGIO H. ; FECHINE, GUILHERMINO J. M. . Tuning of

surface properties of poly(vinyl alcohol)/graphene oxide nanocomposites. POLYMER

COMPOSITES , v. online, p. 1-9, 2017.

4 MAIA, J. M. ; FECHINE, GUILHERMINO J. M. ; ANDRADE, R. E. ; DOMINGUES, S. H. ;

MUÑOZ, PABLO A.R. ; AMORIN, L. G. ; NAGAOKA, D. A. ; DANDA, C. ; SCHNEIDER, T. ;

GROVE, B. ; KHANI, S. . Thermoplastic polyurethane grapheme oxid nano composites with

enhanced mechanical behavior. 2018, Brasil.

Patente: Privilégio de Inovação. Número do registro: 16/170,857, título: "Thermoplastic

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100

polyurethane grapheme oxid nano composites with enhanced mechanical behavior" ,

Instituição de registro: United States Patent and Trademark Office. Depósito: 25/10/2018

ANEXO II – RESUMOS PUBLICADOS EM ANAIS DE CONGRESSO 2017 – 2019

1 NAGAOKA, D. A.; DOMINGUES, SERGIO H. . From graphite to graphene: improving the

Hummers method to produce high quality reduced graphene oxide (rGO). In: 41ª Reunião da

Sociedade Brasileira de Química, 2018, Foz do Iguaçu. 41ª Reunião da Sociedade Brasileira

de Química, 2018.

2 DOMINGUES, SERGIO H. ; NAGAOKA, D. A. . Can rGO Look Like Pristine Graphene?. In:

International Conference on the Chemistry of Carbon Nanotubes and Graphene, 2018, Biarritz.

International Conference on the Chemistry of Carbon Nanotubes and Graphene, 2018. p. 42-

42.

3 NAGAOKA, D. A.; DOMINGUES, SERGIO H. High Quality graphene oxide and 2D cobalt

oxide: possible applications in energy storage devices. In: Encontro do INCT de Nanomateriais

de carbono, 2019, São Paulo. 7º Encontro do INCT de nanomateriais de carbono, 2019

4 NAGAOKA, D. A.; DOMINGUES, SERGIO H. . 2D Nanocomposite: High quality graphene

oxide (GO) and bidimensional cobalt oxide, possible applications in energy storage devices In:

42ª Reunião da Sociedade Brasileira de Química, 2019, Joinville. 42ª Reunião da Sociedade

Brasileira de Química, 2019.

5 AQUINO, C. B. ; NAGAOKA, D. A. ; CANDIDO, E. G. ; MACHADO, M. M. ; CAMARGO, P.

H. C. ; DOMINGUES, S. H. . Electrochemical vs Chemical: The most efficient synthesis method

for a new ternary nanocomposite GO/WO3 NW/PAni. In: 41ª Reunião da Sociedade Brasileira

de Química, 2018, Foz do Iguaçu. 41ª Reunião da Sociedade Brasileira de Química, 2018.

6 DOMINGUES, S. H. ; AQUINO, C. B. ; PIERETTI, J. C. ; TREVISAN, T. B. ; NAGAOKA, D.

A. ; MACHADO, M. M. ; SOUZA, E. A. T. ; CANDIDO, E. G. ; SILVA, A. G. M. ; CAMARGO,

P. H. C. . Different Graphene Based Nanocomposite for Energy Storage Devices. In: Graphene

2017, 2017, Barcelona. Graphene 2017, 2017.

7 ANDRADE, R. E. ; FECHINE, GUILHERMINO J. M. ; DOMINGUES, S. H. ; MAIA, J. M. ;

THOROH DE SOUZA, EUNÉZIO A. ; MUÑOZ, PABLO A.R. ; DE OLIVEIRA, CAMILA F. P. ;

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101

AMORIN, L. G. ; DANDA, C. ; NAGAOKA, D. A. . Mechanical Reinforcement of Graphene

Oxide-Based Thermoplastic Polyurethane Nanocomposite. In: Graphene 2017, 2017,

Barcelona. Graphene 2017, 2017.

8 FECHINE, GUILHERMINO J. M. ; DOMINGUES, SERGIO H. ; ANDRADE, R. E. ; SOUZA,

E. A. T. ; AMORIN, L. G. ; OLIVEIRA, C. F. P. ; NAGAOKA, D. A. . Large scale production of

polymer-GO nanocomposites. In: Graphene 2017, 2017, Barcelona. Graphene 2017, 2017.

ANEXO III – APRESENTAÇÃO DE TRABALHO (FORMA ORAL) 2017 – 2019

1 NAGAOKA, D. A.; DOMINGUES, SERGIO H. . From graphite to graphene: improving the

Hummers method to produce high quality reduced graphene oxide (rGO). 2018.

(Apresentação de Trabalho/Congresso).

ANEXO IV – Disciplinas cursadas e conceitos 2017 – 2019

Código Disciplina Conceito

ENST11931 Nanomateriais de carbono B

ENST10153 Caracterização de materiais C

ENST10553 Ciência dos materiais II B

ENST10490 Dispositivos nanoestruturados e nanosensores A

ENST10026 Metodologia da pesquisa científica C

30091004 Proficiência em inglês A

ENST10559 Estruturas e materiais fotônicos A

ENST10554 Nanomateriais e Nanotecnologia B

ENST09921 AT PROG OBRIG: Produção Científica A