Apresentação Pré-Projeto - TCC1

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁCâmpus Curitiba

Síntese e Caracterização de Nanotubos deÓxido de Nióbio e Óxido de Titânio

Aluno: Filipe Matos Pereira LimaOrientadora: Profa. Dra. Roberta Carolina P. Rizzo DominguesCo-orientadora: Profa. Dra. Crisitiane Pilissão


JUSTIFICATIVA

• Poucos trabalhos que descrevem formas de sintetizar nanotubos de óxido

de nióbio, bem como suas características

• É de interesse o estudo da rota sintética mais simples e barata disponível

• Será seguida a metodologia para síntese hidrotérmica do óxido de titânio

• A síntese dos materiais em paralelo permite a identificação de

disparidades na formação dos nanotubos

• Sendo assim o processo pode ser adaptado e otimizado


DEFINIÇÕES

• Interesse em pesquisar materiais nanoestruturados gerou o campo da “Nanociência e Nanotecnologia”

• Nanomateriais são materiais cujos tamanhos das partículas que os constituem encontram-se na faixa dos nanômetros, gerando a seguinte classificação:– Material nanoestruturado– Nanopartícula– Nanocristal– Nanoclusteres

OZIN; ARSENAULT; CADEMARTIRI. Nanochemistry; A Chemical Approach to Nanomaterials. [S.l.]: RSC Publishing - Cambridge UK, 2009.


NANOMATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES

• Características de nanomateriais encontram-se em um meio termo entre aquelas observadas na molécula isolada e as do material acima do tamanho crítico

• Têm-se diferentes possíveis comportamentos resultantes: – Propriedades semicondutoras– Propriedades fluorescentes – Ressonância plasmônica de superfície – Entre outros

• Observa-se também o substancial ganho de área superficial

BAHNEMANN, D. Ultrasmall metal oxide particles: Preparation, photophysical characterisation, and photocatalytic properties. Israel Journal of Chemistry, v. 33, p. 115–136, 1993.


NANOMATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES

• A descoberta dos nanotubos de carbono por Iijima (1991) despertou o

interesse para estes materiais

• Para um mesmo material, frequentemente o tamanho crítico é diferente

para cada uma das suas propriedades. (ZARBIN, 2007)

• Sendo assim, o estudo de diferentes materiais traz uma abundância de

possíveis propriedades

IIJIMA, S. Helical microtibules of graphitic carbon. Nature, v. 354, p. 56–58, 1991.ZARBIN, A. J. G. . Química da (nano)materiais. Química Nova, v. 30, p. 1469–1479, 2007.


Taça de Lycurgus (Roma, século 4): vidro contendo pequenas quantidades de nanopartículas de prata e ouro

Quando iluminada de fora

Quando iluminada de dentro

Porcelanas dos séculos 9 a 17 do Oriente Médio: pequenas quantidades de nanopartículas de Au ou Cu

Vitrais europeus dos séculos 6 a 15: diversas composições

LIZ-MARZÁN, L. M. Nanometals: Formation and color. Materials Today, v. 7, p. 26–31, 2004.National Nanotechnology Initiative (NNI) www.nano.gov (CAN)


NANOMATERIAIS DE TITÂNIO

• Óxido de titânio é um material que tem sido amplamente estudado ao

longo dos anos

• Confere maior resistência a ligas metálicas, mantendo-as bastante leves

• Pode ser combinado com materiais dopantes adquirindo alta absorção de

luz

– Aplicações como fotocatalisador

• Usado também para imobilização de enzimas

• Síntese de nanotubos descrita extensivamente na literatura



• Primeiros relatos de síntese de nanotubos à base de TiO2 em 1996

– Técnica elaborada de replicação

• Duas outras abordagens seguiram:

– Síntese por moldagem química ou física

– Síntese por anodização de Ti

• Surge na década de 90 a síntese hidrotérmica alcalina de nanotubos

• Tem a vantagem de ser de baixo custo e ser realizada a uma temperatura

inferior a 200oCBAVYKIN, D. V.; FRIEDRICH, J. M.; WALSH, F. C. Protonated titanates and TiO2 nanostructured materials: Synthesis, properties and applications. Advanced materials, v. 18, p. 2807–2824, 2006.



• O dióxido de titânio pode ser encontrado em oito formas cristalinas

diferentes, sendo elas divididas entre:

• As menos expressivas como TiO2-B, TiO2-R, TiO2-H, TiO2-II, TiO2-III

• As mais estudadas, como rutilo, anatásio e brookita.

• Neste trabalho será utilizada a forma anatásio

MORGADO, E. J. Estudo de titanatos nanoestruturados obtidos por tratamento hidrotérmico de óxido de titânio em meio alcalino. Dissertação (Doutorado) — Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2007.


NANOMATERIAIS DE NIÓBIO

• Nióbio (Nb) é um metal de transição encontrado na forma de óxido em

minerais

• 98% do total deste elemento encontra-se no Brasil

• Óxidos de nióbio podem apresentar acidez de Brønsted e de Lewis

– Controle pela calcinação do material em diferentes temperaturas.

• Principal aplicação tem sido na forma de catalisadores heterogêneos

– Aplicabilidade em células combustível, reações orgânicas de

proteção/desproteção e reações de transesterificação


INTRODUÇÃO

• A proposta de trabalho visa estudar rotas de produção viáveis para

nanotubos de óxido de nióbio e óxido de titânio, e caracterizar os materiais

formados para avaliar sua qualidade

• A metodologia escolhida é o de síntese hidrotérmica


SÍNTESE DOS NANOTUBOS

• Dois reatores autoclave de Teflon de 250 mL

• Serão adicionados ao reator A 3g de TiO2 anatásio (Degussa P25) e ao reator

B 3g de Nb2O5·nH2O.

• Também serão adicionados 200 mL de solução de 9 mol/L de NaOH

• As soluções serão colocadas em estufa a 140 oC, 170 oC e 200 oC

• Os intervalos de tempo testados serão de 24 e 48 horas.

SCHEFFER, F. R. Nanoestruturas de TiO2: Síntese, Caracterização e Aplicação. Dissertação (Trabalho de conclusão de curso) — Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.


SÍNTESE DOS NANOTUBOS

• Sólidos serão retirados e lavados com uma

solução ácida

• O processo de lavagem do sólido tem

grande importância na formação completa

dos nanotubos (LI et al., 2007)

• A lavagem será lenta e com uma solução

de HCl 0,1 mol/L até neutralização

• Seguida de lavagem com água destilada

• Outros procedimentos de lavagem podem

ser testados caso os resultados não sejam

satisfatóriosLI, W. et al. The multi-staged formation process of titanium oxide nanotubes and its thermal stability. Materials Letters, v. 61, p. 730–735, 2007.


CARACTERIZAÇÕES

• As seguintes caracterizações serão usadas, escolhidas por serem

expressivas na literatura pesquisada:

– Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

– Difração de raio-x (DRX)

– Espectroscopia de infravermelho (FTIR)

– Microscopia eletrônica de transmissão (MET)

– Isotermas de adsorção/dessorção de nitrogênio


RESULTADOS ESPERADOS

• Obtenção de nanotubos de titânio com características similares àquelas descritas

na literatura

• Síntese de nanotubos de óxido de nióbio pela via hidrotérmica

• Alta conversão dos materiais precursores

• Consistência nas características dos materiais sintetizados

• Baixo índice de imperfeições

• Grande área superficial e porosidade

• Retenção da capacidade ácida do óxido de nióbio


RECURSOS NECESSÁRIOS

Material Origem Custo (R$) Unidades Total Parcial

Ácido Nióbico CBMM NA NA R$ 0,00

Óxido de Titânio Projeto 82,00 1 R$ 82,00

Ácido Clorídrico PA (1L)

Sigma-Aldrich 17,32 1 R$ 99,32

Ácido Nítrico 65% (1L)

Sigma-Aldrich 30,57 1 R$ 129,89

Hidróxido de Sódio 97% (500g)

Sigma-Aldrich 16,30 1 R$146,19

Reator de Teflon HPC Serviços e Comércio LTDA

600,00 2 R$ 1346,19


RECURSOS NECESSÁRIOS

Equipamento Instituição

Microscópio eletrônico de varredura UTFPR

Microscópio eletrônico de transmissão

UFPR

Difratômetro de raios-X UTFPR

Bomba de vácuo de bancada UTFPR

Espectrofotômetro FTIV UTFPR

Aparelho multifuncional para estudos de adsorção

UFPR/UFSC

Vidrarias de laboratório UTFPR


CRONOGRAMA

Out. Nov. Dez. Jan. Fev. Mar. Abr. Mai. Jun. Jul.

Revisão bibliográfica

X X X X X X X X X X

Síntese dos Nanotubos

X X X

Caracterização das amostras

X X X X

Defesa TCC II X


MUITO OBRIGADO POR SUA ATENÇÃO


ENSAIO DE ACIDEZ DE HAMMETT


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