ÁREA: Nanociência e Nanotecnologia
TÍTULO: Redução Carbotérmica de ZnO utilizando Celulose como Agente Redutor
AUTORES: MACIEL, A.V. (UFMG) ; PASA, V.M.D. (UFMG) ; ARAÚJO, J.V.D.S. (UFMG)
RESUMO: Nanopétalas de Zn foram obtidas via reação de redução carbotérmica do ZnO utilizando a celulose como agente redutor. O ZnO foi misturado a celulose, numa proporção de 1:1, e, em seguida, a mistura foi submetida a tratamento térmico em forno tubular horizontal até 900°C, sob atmosfera inerte, sem a presença de catalisador e sem redução de pressão. Após resfriamento do tubo de reação, amostras depositadas sobre a parede e a tampa do tubo e, também, no interior do porta-amostra (material residual) foram coletadas e prosseguida as análises de DR-X, EDS e MEV. As nanopétalas de Zn condensaram, preferencialmente, sobre a tampa do tubo de reação.
PALAVRAS CHAVES: zinco nanoestruturado, celulose, redução carbotérmica
INTRODUÇÃO: Os termos nanociência e nanotecnologia correspondem, respectivamente, ao estudo e às aplicações tecnológicas de materiais que tenham pelo menos uma de suas dimensões físicas menor, ou da ordem, de algumas dezenas de nanômetros. Assim, em nanotecnologia, nano refere-se a um nanômetro que corresponde a um bilionésimo de um metro. Uma das áreas da nanotecnologia que tem crescido rapidamente é a síntese de nanomateriais, se destacando os processos de evaporação térmica, dando ênfase aos métodos de deposição de vapor físico e de vapor químico [1]. Adicionalmente, processos de redução carbotérmica para a obtenção de óxidos metálicos nanoestruturados têm sido bastante discutidos nos últimos anos [2-4]. Em reações de redução carbotérmica de ZnO, que utilizam como agente redutor o carbono, são gerados como principais produtos gasosos o zinco, CO e CO2. O zinco vaporizado pode ser resfriado, condensado e capturado, porém, o condensador utilizado tem que ser capaz de resfriar os vapores rapidamente, a fim de evitar a oxidação do zinco metálico [5]. O CO e CO2 são os produtos gasosos responsáveis pela redução de ZnO a Zn. Para a produção destes gases, normalmente, usa-se grafite como fonte de carbono. Entretanto, neste trabalho foi utilizada, como fonte de carbono, a celulose microcristalina. O uso da celulose como agente redutor tornou o processo carbotérmico mais eficiente, uma vez que a reação ocorreu em temperaturas relativamente mais baixas (900 °C) que as convencionais utilizadas neste tipo de processo (acima de 1000 °C) e não foi necessário o uso de vácuo e nem de catalisadores. Além do mais, o carbono é gerado durante o processo a partir da celulose que é um precursor de carbono de fonte renovável e importante produto de biomassa.
MATERIAL E MÉTODOS: Óxido de zinco (SYNTH, Lot No. 84050) e celulose microcristalina (MERCK) foram misturados numa proporção de 1:1. Dois gramas da mistura ZnO/Celulose foram transferidos para um porta-amostra de quartzo, sendo este colocado no centro de um tubo de quartzo, o qual foi inserido em um forno tubular horizontal. O forno foi aquecido até 900°C, permanecendo nesta temperatura por 01 hora, sob o fluxo constante de N2. O forno foi resfriado naturalmente até temperatura ambiente, sem a interrupção do fluxo de gás e ao final do resfriamento foi observada a deposição de materiais sobre a tampa do tubo de quartzo e sobre a parede interna do tubo. No porta-amostra foi observado a presença de material residual remanescente. As microestruturas das amostras obtidas após a reação de redução carbotérmica foram avaliadas utilizando-se microscopia eletrônica de varredura (MEV), em equipamento da JEOL, modelo JSM-840A, com voltagem de aceleração de 25 KV. Medidas médias de regiões específicas foram adquiridas a partir das micrografias obtidas por MEV utilizando-se o programa Quantikov Image Analyzer [6]. A composição química das amostras foi analisada usando espectrometria de dispersão de energia (EDS), em microscópio da JEOL - JXA 8900 RL, a uma tensão de aceleração de 15 kV, uma corrente de feixe de 13nA. Difratogramas de raios-x foram obtidos para as amostras em temperatura ambiente em um difratômetro Rigaku Geigerflex, utilizando uma radiação da linha Kalfa do cobre e num intervalo de 4° a 80°.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A Fig. 1a mostra micrografia obtida por MEV para nanopétalas de Zn metálico depositadas na tampa do tubo de quartzo. As nanopétalas apresentaram espessuras em torno de 43,41 nm e o seu espectro de EDS (Fig. 1d) revelou que elas são constituídas, principalmente, por átomos de Zn metálico, apesar da existência de átomos carbono e oxigênio, porém, em menor quantidade, os quais podem estar relacionados à oxidação do Zn vaporizado, originando ZnO e, talvez, a formação de carbeto zinco [7]. A Fig. 1b mostra que o material depositado na parede do tubo não originou nanomateriais, uma vez que este apresentou diâmetros em torno de 154,13 nm, entretanto, seu espectro de EDS (Fig. 1e) revelou-se bastante similar ao obtido para as nanopétalas de Zn (Fig.1d), evidenciando que este material apresenta composição química semelhante as nanopétalas. O espectro de EDS obtido para o resíduo (Fig. 1f) revelou a presença de átomos de carbono, oxigênio e zinco, indicando que nem todo ZnO fora reduzido. O difratograma mostrado na Fig. 2a confirmou o crescimento de nanopétalas de Zn a 900 °C na parede do tubo, anteriormente avaliados pelas técnicas de MEV e EDS, uma vez que são predominantes os picos relativos ao Zn metálico, apesar da presença de picos menos intensos relativos a ZnO, provavelmente, presente formando um camada superficial [5]. A Fig. 2b mostra predominância de picos relativos ao ZnO, confirmando que nem todo o óxido foi reduzido, entretanto, não foi confirmada a presença de carbono como sugerido no espectro da Fig. 1f, indicando que toda celulose foi consumida. O pico relativo ao átomo de carbono (Fig.1f) pode ser originário do carbono constituinte da fita adesiva utilizada como suporte durante a análise de EDS.
CONCLUSÕES: Nanopétalas de Zn foram obtidas em condições operacionais brandas por reação de redução carbotérmica do ZnO utilizando como agente redutor a celulose microcristalina. Neste trabalho, as fontes de carbono convencionais, tais como: grafite e carvão ativado, foram substituídas pelo precursor de carbono de fonte renovável, a celulose, o qual mostrou ser eficiente para promover a redução do óxido de zinco.
AGRADECIMENTOS: Ao CNPq pela concessão de bolsa de doutoramento.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: [1] RAO C.N.R.; DEEPAK F.L.; GUNDIAH G.; GOVINDARAJ A. 2003. Inorganic nanowires. Progress in Solid State Chemistry, 31: 5-147.
[2] YUAN C.; LIN T. SiO2-and CuO-enhanced growth of Ge-Si1-xGexOy and GeO2-Si1-xGexOy core-shell nanowires on a Si substrate via carbothermal reduction. 2006. Nanotechnology, 17: 4464-4468.
[3] XIANGFENG C.; CAIHONG W.; DONGLI J.; CHENMOU Z. Ethanol sensor based on indium oxide nanowires prepared by carbothermal reduction reation. 2004. Chemical Physics Letters, 399: 461-464.
[4] SUN S.H.; MENG G.W.; ZHANG M.G.; AN X.H.; WU G.S.; ZHANG L.D. Synthesis of SnO2 nanostructures by carbothermal reduction of SnO2 powder. 2004. Journal of Physics D: Applied Physics, 37: 409-412.
[5] EPSTEIN M.; EHRENSBERGER K.; YOGEV A. 2004. Ferro-reduction of ZnO using concentrated solar energy. Energy, 29: 745-756.
[6] www.geocities.com/quantikov
[7] STEIFELD, A.; KUHN P.; PALUMBO R.; MURRAY J.; TAMAURA Y. 1998. Solar-processed metals as clean energy carriers and water-splitters. Int. J. Hydrogen Energy, 23: 767-774.
