Estudo Ab Initio da Sinergia de Fases em um Novo Material Conjugado à base de Grafeno e Hidrotalcita

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Fischer, E.K. (UEMS) ; Hisano, C. (UEMS) ; Oliveira, R.G. (UEMS) ; Amoresi, R.A.C. (UNESP) ; Zaghete, M.A. (UNESP) ; Cavalheiro, A.A. (UEMS)

Resumo

A hidrotalcita sintética é utilizada para adsorção de compostos altamente polares em meio aquoso, enquanto o grafeno atua na adsorção de compostos de baixíssima polaridade, mas possui um efeito filtrante muito mais elevado para íons metálicos hidratados. Ambos os materiais possuem potencial para serem conjugados devido às suas caraterísticas de superfície e esta é a proposta deste trabalho. A conjugação destes dois materiais adsorventes foi executada inserindo grafeno previamente sintetizado em laboratório em uma proporção de 1 % em massa do material conjugado e comparado com a hidrotalcita em sua forma isolada através de espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de varredura, mostrando que a conjugação possui sinergia de fases, o que abre perspectiva para novos estudos.

Palavras chaves

Grafeno; Nanocompósito; Hidrotalcita

Introdução

A pesquisa no campo de materiais adsorventes para purificação de água vem atraindo grande atenção nas últimas décadas e estudos recentes indicam que o grafeno pode usado até em processos de dessalinização da água do mar. Entretanto, sua coagulação rápida em meio aquoso dificulta sua utilização na forma isolada, além de sua polaridade química nula reduzir a adsorção de compostos mais polares em processos de tratamento em fluxo contínuo como elemento filtrante (ZHAO et al., 2012; PERREAULT et al., 2015; AVILA et al., 2017). Por outro lado, as argilas sintéticas, como as hidrotalcitas possuem boa capacidade de adsorção em meio aquoso, devido a sua constituição química e seu arranjo em camadas. A composição mais comum é baseada em hidróxido duplo lamelar de magnésio e alumínio, contendo íons carbonatos interlamelares para conferir estabilidade estrutural e permitir a regeneração do material com tratamento térmico. Entretanto, as hidrotalcitas não possuem boa capacidade adsortiva para moléculas de baixa polaridade (CREPALDI et al., 1998; LI et al., 2014). Do ponto de vista tecnológico, as argilas podem ser conjugadas com diversos tipos de materiais com relativa facilidade. O princípio da interação entre estes dois materiais ocorre devido as cargas positivas típicas das lamelas de hidrotalcita de magnésio e alumínio, permitindo a atração com a superfície de grafeno, devido aos elétrons pi característicos deste material. Deste modo, a intercalação de grafeno nas hidrotalcitas é uma proposta válida, principalmente se for considerado o aumento da aplicabilidade deste material frente a diversos tipos de adsorvatos, variando em tamanho e polaridade química (XU et al., 2001; BELLINGIERI et al., 2004; ZHANG et al., 2010; AGHIGH et al., 2015).

Material e métodos

Para o estudo propositivo de materiais conjugados de hidrotalcita e grafeno, neste trabalho foi executada a síntese de grafeno e hidrotalcita em suas formas não conjugadas, para entendimento do material conjugado obtido com 1% em massa de grafeno na estrutura de hidrotalcita obtida já em suspensão de grafeno. O grafeno foi obtido a partir do grafite em pó comercial, seguindo reações de oxidação com ácido sulfúrico e nitrato de sódio e esfoliação por ultrassonificação, de modo a obter o óxido de grafeno como intermediário de síntese. Em seguida, o óxido de grafeno foi reduzido a grafeno com sulfato de hidrazina e purificado por centrifugação. Já a amostra de hidrotalcita foi obtida por precipitação em pH 11, adicionando uma solução de hidróxido de sódio e carbonato de sódio a uma solução mista de nitratos de magnésio e alumínio, seguindo-se com uma etapa de digestão a 60 ºC por 6 horas e decantação a frio por 18 horas. Após a purificação do precipitado com água destilada até condutividade constante para o filtrado, o precipitado foi seco em estufa a 100 ºC por 24 horas e levemente desaglomerado em almofariz de porcelana, de modo a obter a composição dada por Mg0,7Al0,3(OH)2(CO3)0,15. Para a obtenção do material conjugado, a quantidade calculada de grafeno foi adicionada na solução mista de nitratos de magnésio e alumínio, mantendo-se a agitação vigorosa da suspensão por 30 minutos, antes da adição da solução precipitante de hidróxido de sódio e carbonato de sódio. As demais etapas de purificação foram mantidas inalteradas em relação à amostra de hidrotalcita não conjugada. As amostras obtidas foram então analisadas por Espectroscopia Raman (laser vermelho) e Microscopia Eletrônica de Varredura com Análise por Energia Dispersiva de Raios- X.

Resultado e discussão

A sinergia dos dois materiais na amostra conjugada pode ser observada por Espectroscopia Raman (Figura 1). O espectro Raman para o grafeno excitado com laser vermelho (785 nm) é muito dependente da quantidade de folhas hexagonais que cada partícula possui e também do efeito SERS (espalhamento Raman potencializado pela superfície). Assim, dependendo da amostra, os diferentes modos ativos Raman geram bandas T, D, G, D’, 2D, D+D’ e 2D’ sobrepostas em um grande intervalo de número de onda abaixo de 3000 cm-1, como foi de fato observado na amostra de grafeno obtida neste trabalho (amostra GF). Por outro lado, a estrutura de hidrotalcita carbonatada de magnésio e alumínio apresenta uma banda larga que se inicia em cm-1 e se estende até 7500 cm-1. Para números de onda menores, há maior contribuição dos ânions carbonato e água interlamelares, já a partir de 2000 cm-1, há maior contribuição dos grupos hidroxila. Entretanto, é na amostra conjugada que um grande efeito SERS é observado, com uma banda alargada muito mais intensa que os demais em suas formas isoladas, refletindo a conjugação dos dois materiais. A morfologia destes materiais pode ser vista nas imagens de microscopia eletrônica, juntamente com os perfis EDX (Figura 2). É possível observar que as folhas de grafeno possuem tamanhos menores que 100 nm e espessuras variadas, que chegam apenas a poucos nanômetros. O espectro EDX apresenta apenas um pequeno pico associado ao oxigênio, provavelmente resultante de um processo de redução não completado durante a síntese. A baixa intensidade caraterística da linha do carbono não é observada na amostra de grafeno ou do material conjugado, fazendo com que ambas as microestruturas e também os espectros EDX para estas amostras não sejam distinguíveis.

Espectros Raman das amostras de grafeno (GF), Hidrotalcita (HT) e compósito Grafeno-Hidrotalcita (GF1HT).


Imagens obtidas por MEV e EDX das amostras de grafeno (GF), Hidrotalcita (HT) e compósito Grafeno- Hidrotalcita (GF1HT).

Conclusões

Neste trabalho foi demonstrada a sinergia do material conjugado a base de grafeno e hidrotalcita. O espectro Raman do material conjugado mostrou uma grande sinergia, com um espalhamento SERS muito mais intenso do que os materiais em suas formas isoladas. Morfologicamente, o material conjugado se assemelha em muito à hidrotalcita isolada e mostra que este tipo de conjugação nanoestruturada é possível. Pelos resultados observados, pode-se inferir que esta conjugação pode ser obtida com quantidades de grafeno maiores que 1 %, permitindo um amplo estudo da capacidade de adsorção em meio aquoso.

Agradecimentos

Os autores agradecem a FAPESP, FUNDECT, CNPq, CAPES e FINEP pelo apoio financeiro e bolsas concedidas.

Referências

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