Síntese de Nanopartículas de Ouro Suportadas em Óxidos de Grafeno

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Anconi, A.C.S.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Mendes, M.D. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Anconi, C.P.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Vieira, S.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Guerreiro, M.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS)

Resumo

Óxidos de grafeno têm sido amplamente empregados como suporte na dispersão de nanopartículas metálicas, promovendo uma maior distribuição espacial, diminuindo a agregação e disponibilizando os sítios ativos dos metais. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo a síntese de nanopartículas de ouro suportadas em óxidos de grafeno, bem como a avaliação de sua atividade catalítica. As nanopartículas foram sintetizadas pelo método sol gel, utilizando como suportes o óxido de graeno (OG) e o óxido de grafeno reduzido (OG-r). A decomposição do peróxido de hidrogênio em presença dos catalisadores demostrou o melhor desempenho das nanopartículas de ouro quando GO-r foi utilizado como suporte.

Palavras chaves

Nanotecnologia; Catálise; Nanocatalisador

Introdução

Atualmente, a síntese de nanopartículas metálicas é uma das áreas científicas em maior expansão. Devido ao seu tamanho reduzido e elevada área superficial específica, as nanopartículas exibem propriedades que despertam interesse, em especial, da biotecnologia, desenvolvimento de sensores e catálise. Dentre os metais mais utilizados em catálise, o ouro, um metal nobre e aparentemente pouco reativo, tem ganhado destaque. A atividade dos das nanopartículas de ouro (NP-Au) é fortemente dependente do tamanho das partículas e da natureza do material utilizado como suporte (CORMA e GARCIA, 2008). Materiais carbonáceos como óxidos de grafeno (OG) têm sido empregados como suportes para nanopartículas de ouro. OGs podem ser caracterizados como uma estrutura bidimensional de átomos de carbono, com regiões aromáticas distribuídas aleatoriamente, e regiões alifáticas oxigenadas contendo os grupos hidroxila, epóxidos, carbonilas e carboxilas. A presença destes grupos oxigenados é responsável pela notável reatividade química deste material (GEORGAKILAS, et. al., 2012). O OG é preparado por métodos que se baseiam na oxidação do grafite em presença de ácidos fortes, enquanto o processo de redução deste óxido se dá por esfoliação química ou térmica (COMPTON, 2010) Estudos teóricos e experimentais têm mostrado que, após o tratamento redutor, uma grande quantidade de grupos oxigenados e defeitos permanecem na estrutura do GO, o que faz do óxido de grafeno reduzido (OG-r) um material que, assim como o OG, também apresenta uma reatividade bastante significativa (GEORGAKILAS, et. al., 2012). Neste contexto, este trabalho teve como objetivo a síntese de NP-Au suportadas em OG e OG-r, bem como a avaliação de seu potencial catalítico.

Material e métodos

O óxido de grafeno foi sintetizado pelo método de Hummer modificado. Resumidamente, 3,5g de grafite foram misturados a 3,5g de nitrato de sódio e 161mL de ácido sulfúrico, e manteve-se a agitação por 4 horas. Em seguida, foram adicionados 21g de permanganato de potássio, e agitou-se por duas horas, seguindo com a adição de água. 350mL de peróxido de hidrogênio foram adicionados afim de consumir o excesso de íons permanganato remanescentes. O sólido obtido foi lavado com ácido clorídrico e água deionizada até pH 5, e levado à estufa para secagem a 40°C por 48 horas. O filme de OG obtido foi separado em duas partes, sendo uma delas submetida ao processo de redução. 2g de OG foram misturados a 0,8g de borohidreto de sódio, 0,2 g de citrato de sódio e 200mL de água deionizada. A dispersão foi colocada em banho de ultrassom por 30 minutos, seguida de 1 hora de agitação à 95 °C. O sólido obtido foi lavado com água por 5 vezes e seco a 40°C por 48 horas. As NP-Au foram sintetizadas pelo método sol-ouro. Inicialmente,preparou- se uma solução aquosa de ácido cloráurico (50,0 mg/L) e álcool polivinílico (solução aquosa 1,0 % m/v). O ouro foi reduzido através da adição de borohidreto de sódio 0,1 mol/L(4:1 em relação ao ouro). O OG/OG-r foi adicionado sobre a suspensão em quantidade suficiente para se ter 1,0% em peso de ouro com relação ao suporte. A agitação foi mantida por 2 h. Em seguida, o material foi filtrado e lavado com água destilada até a completa remoção dos íons cloreto. Finalmente, o material foi seco em estufa a 40°C por 48h. A capacidade catalítica do material foi avaliada pelo teste de decomposição do peróxido de hidrogênio, utizando-se 3 mg dos materiais, 5 mL de água e 2 mL de peróxido 30% e gotas uma solução de NaOH até pH 12.

Resultado e discussão

O material obtido ao final da síntese foi filme fino, liso, e uniforme de OG. Na redução com borohidreto de sódio, a maior parte dos grupos epóxidos são reduzidos, enquanto os grupos hidroxila não sofrem alteração. Ao final da redução foi obtido um pó preto, finamente dividido, de OG-r. A Figura 1 mostra as Micrografias (obtidas por MEV) e possíveis estruturas dos materiais obtidos, bem como o Espectro Infravermelho (IV) dos materiais. A análise IV mostra que o grafite utilizado na síntese não apresentava grupos funcionais oxigenados. No OG, o estiramento assimétrico OH (~3400cm-1) indica a introdução de hidroxilas à estrutura, formando álcoois e/ou ácidos carboxílicos. O estiramento C=O (~1740cm-1) indica a presença de grupos carbonila, provavelmente aldeídos, cetonas e/ou ácido carboxílicos. O estiramento C-O-C (~1200cm-1) sugere a existência de éteres e/ou epóxidos. O espectro do OG-r mostra a uma diminuição na banda ~1200 cm- 1 sugerindo que os éteres e/ou epóxidos foram praticamente removidos da superfície após a redução. Os OG e OG-r foram utilizados como suporte na síntese de NP-Au. A Figura 2 mostra a formação da suspensão das nanopartículas (a) a adição do suporte (b) e o filtrado 30 minutos após a adição do suporte (c), evidenciando a ausência das NP-Au livres em solução. Em (d), os materiais obtidos após secagem, à esquerda o Au/GO e à direita Au/OG-r. A análise por espectroscopia de UV-vis (e) mostrou a formação de nanopartículas menores que 10nm, ideais para aplicação em catálise. Para avaliação do potencial catalítico dos materiais realizou-se o teste de decomposição do peróxido de hidrogênio. A Figura 2 (f) mostra que o volume de oxigênio liberado foi mais pronunciado quando Au/OG-r foi empregado como catalisador da reação.

(a) Micrografias do Grafite, Óxido de Grafeno e Óxido de Grafeno Reduzido; (b) Espectro Infravermelho dos materiais


(a) NP-Au em suspensão; (b) após adição do suporte; (c) filtrado 30 min após suporte; (d) Au/OG e Au/OG-r; (e) UV-vis NP-Au (f) Teste catalítico

Conclusões

As nanopartículas de ouro sintetizadas pelo método sol-ouro foram suportadas com sucesso em OG e OG-r. A avaliação da capacidade catalítica dos materiais mostrou que Au/OG-r foi mais eficiente na decomposição de peróxido de hidrogênio, quando comparado à Au/OG. Testes e análises serão posteriormente realizados, visando melhor caracterização do material e aplicação em reações de oxidação.

Agradecimentos

À CAPES e FAPEMIG pelo apoio financeiro; ao Laboratório de Microscopia Eletrônica e Análise Ultraestrutural (LME) e à Central de Análise e Prospecção Química (CAPQ) -

Referências

Compton, O.C.; Nguyen, S.T. Small 6 (2010) 711–723

Corma, A.; GARCIA H. Supported gold nanoparticles as catalysts for organic reactions. Chemical Reviews 37 (2008) 2096–2126

Georgakilas, V.; Otyepka, M.; Bourlinos, A.B.; Chandra, V.; Kim, N.; Kemp, K.C.; Hobza, P.; Zboril, R.; Kim, K.S. Chemical Reviews 112 (2012) 6156–6214