SÍNTESE DE NANOTUBOS DE CARBONO ATRAVÉS DA PIRÓLISE DO POLI-ÁLCOOL FURFURÍLICO INCORPORADO EM VIDROS POROSOS DO TIPO VYCOR

Roberto Bertholdo (PG) e Aldo José Gorgatti Zarbin (PQ)

Laboratório de Química Ambiental e de Materiais, Departamento de Química, Universidade Federal do Paraná, CP 19081 CEP 81531-990, Curitiba - PR - Brasil.

E-mail: berthold@quimica.ufpr.br; aldo@quimica.ufpr.br

palavras-chave: nanotubos de carbono, poli-álcool furfurílico, vidros porosos

Os átomos de carbono podem manifestar-se na natureza em uma grande variedade de formas diferentes, possibilitando a formação de substâncias com as mais variadas características. Dentre as novas formas de carbono descobertas nas últimas décadas, os chamados nanotubos de carbono (NTC) correspondem à uma das mais abundantemente estudadas. Estes materiais possuem uma estrutura formada por uma folha de grafite enrolada, com as extremidades fechadas por um tipo de abóboda de grafite, criando um espaço interno vazio, que pode ser utilizado para a introdução de espécies de interesse e produção de materiais em escala nanométrica. As características estruturais peculiares desta classe de compostos fazem com que estes possuam propriedades extremamente interessantes, com grandes possibilidades de aplicação em uma série de dispositivos.

Os nanotubos de carbono podem ser produzidos basicamente por duas técnicas: descarga de arco de corrente (100 A e 20 V) em eletrodos cilíndricos de grafite ou decomposição térmica de hidrocarbonetos. No entanto, as amostras produzidas através destes métodos apresentam um alto grau de heterogeneidade, fazendo com que sua caracterização seja bastante dificultada. Desta maneira, o desenvolvimento de novos métodos experimentais para a obtenção de NTC tornam-se fundamentais no estudo destes sistemas.

Neste trabalho apresentamos uma nova rota de síntese de nanotubos de carbono a partir da pirólise do poli-álcool furfurílico (PFA) polimerizado no interior dos poros de vidros porosos do tipo Vycor (PVG). Desta maneira, serão apresentados os resultados de síntese e caracterização de nanocompósitos inéditos formados entre o PVG e o PFA, bem como a caracterização dos produtos obtidos através da pirólise destes nanocompósitos, uma nova rota em potencial para a síntese de NTC.

O PVG é um vidro composto basicamente por SiO₂ (Corning, 7930) e possui poros interconectados entre si, com aproximadamente 80 Å de diâmetro, que formam uma rede aleatória tridimensional. O volume ocupado pelos poros é de aproximadamente 28% do volume total do material. Além disso, tais vidros apresentam a superfície de seus poros formada por grupamentos silanóis (Si-OH), com pKa ~ 9, possibilitando a sua utilização como trocador catiônico.

PFA é uma resina polimérica comercial, produzida através da polimerização do álcool furfurílico, sendo que esta polimerização é industrialmente realizada através de aquecimento e catálise ácida. Recentemente, descobriu-se que a pirólise do PFA em atmosfera inerte produz grafite pirolítico com alta área superficial, utilizado, por exemplo, em baterias de intercalação de lítio.

A obtenção de nanocompósitos entre o PVG e o PFA foi realizada da seguinte maneira: uma placa de PVG (10x10x1 mm) previamente tratada (sol. HCl 2 mol.L^-1, acetona, tratamento térmico 550 ^oC por 72 h) foi adicionada a um balão contendo 10 mL de álcool furfurílico e 0,025 g de ácido oxálico (utilizado como catalisador), à temp. ambiente, durante 3 dias. Decorrido este período, a placa, de coloração marrom escuro muito intensa, foi lavada com etanol e seca sob vácuo. Vários experimentos foram realizados com algumas variações nas condições descritas anteriormente: diferentes quantidades de ácido oxálico, diferentes temperaturas, etc. Em todos os experimentos, observou-se a formação do PFA, confirmada através das bandas características observadas nos espectros IV e nos espectros IV obtidos por refletância difusa.

Uma vez que a superfície dos poros do PVG contém sítios ácidos, foi realizado um experimento no qual uma placa de PVG foi introduzida em álcool furfurílico sem a presença do ácido oxálico. Neste caso, ocorre difusão do álcool para o interior dos poros do PVG, observando-se o início da polimerização catalisada pelos grupos silanóis. Este processo foi acompanhado in situ por espectroscopia UV-Vis, observando-se o surgimento e intensificação de bandas em 780 e 580 nm, atribuídas ao PFA.

Os nanocompósitos PVG/PFA formados foram pirolisados, sob fluxo de argônio, com taxa de aquecimento de 10 ^oC.min^-1, à 900 ^oC, mantendo-se esta temperatura por 3 horas. As amostras resultantes foram tratadas com solução de HF 48% (m/m), para a dissolução da matriz vítrea, e o material sobrenadante foi lavado com água até pH neutro, separado por centrifugação e seco em estufa à 50 ^oC, sendo posteriormente caracterizado por espectroscopias IV e Raman, DRX e microscopia eletrônica de varredura (field emission – LNLS, Campinas - SP - Brasil). Os resultados indicam a formação de carbono grafitizado em todas as amostras pirolisadas, sendo possível observar, por microscopia eletrônica, a ocorrência de nanotubos de carbono, em baixo rendimento.

Os resultados obtidos até o momento são bastante promissores, uma vez que indicam que a rota proposta leva à síntese de NTC. A temperatura da reação, bem como a quantidade de catalisador utilizado são fatores determinantes para a formação do nanocompósito PVG/PFA. A catálise a partir dos hidrogênios ácidos do PVG foi bem sucedida. Algumas modificações no processo estão sendo introduzidas, visando a obtenção de NTC com maior rendimento e homogeneidade. Neste sentido, alguns resultados preliminares já têm sido obtidos, como por exemplo a pirólise na presença de partículas de Fe metálico, que atua como catalisador na decomposição do PFA, favorecendo a produção dos NTC.

[CNPq/FUNPAR]