Síntese de Uma Nanoestrutura Híbrida a Base Nanotubos de Titanatos e Complexo de Estanho com Potencial para Captura e Conversão de CO[sub]2[/sub]

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Química Inorgânica

Autores

Monteiro, W.F. (UFRGS) ; Vieira, M.O. (UFRGS) ; Jesus, J.L.F. (PUCRS) ; Lima, J.E.A. (PUCRS) ; Ligabue, R.A. (PUCRS)

Resumo

O cenário para a mitigação das emissões de CO₂ é baseado na exploração de tecnologias para separação, armazenamento e utilização deste gás. As nanoestruturas, como por exemplo, os nanotubos de titanatos (TNT) têm motivado estudos devido a possibilidade de modificação e uso como suporte para outras estruturas. Entre estas, uma das possibilidades são os distanoxanos que possuem boa interação com o CO₂. Neste contexto o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma nova nanoestrutura híbrida baseada nos TNT e distanoxanos. Os resultados de TGA mostram que a ancoragem dos distanoxanos foi bem sucedida apresentando 20% m/m. Além disso, a interação destas estruturas é comprovada por análises de FTIR e DRX.

Palavras chaves

Nanoestruturas Híbridas; Nanotubos de Titanatos; Distanoxanos

Introdução

Com o aumento da demanda mundial de energia, as emissões de CO₂ para a atmosfera tornaram-se maiores do que a velocidade de remoção deste composto por meios naturais, causando mudanças climáticas e afetando o planeta e suas formas de vida tornando necessário o desenvolvimento de tecnologias para a captura e conversão deste CO₂ (Dutcher et al., 2011). Anualmente é utilizado cerca de 116 milhões de toneladas de CO₂ para produção de produtos com valor agregado (Otto et al., 2015), desta forma, o desenvolvimento de pesquisas envolvendo captura e conversão de CO₂ é um assunto da atualidade e de suma importância para mitigação de impactos ambientais (Song et al., 2017). Nanoestruturas baseadas em nanotubos de titanatos vem sendo estudas e aplicadas para diversos fins, entre os quais, a utilização como como catalisadores (Coelho et al., 2016) e adsorventes (Liu et al., 2012; Guo et al., 2016) vem recebendo destaque. Recentemente, nosso grupo mostrou a eficiência dos TNTs quando aplicados na conversão de CO₂ (Monteiro et al., 2017; Monteiro et al., 2019). Assim como os trabalhos realizados por Liu et al. (2012) e Guo et al. (2016), os TNTs apresentam favorável interação com o CO₂, que pode ser aumentada quando funcionalizados com outras moléculas. Entre as possibilidades de moléculas a serem suportadas estão os complexos de estanho, entre os quais, os distanoxanos, em especial o composto 1,3- dimetoxitetrabutildistanoxano, apresentou resultados favoráveis na interação química com o CO₂ (Tkatchenko et al., 2003). A funcionalização dos TNT com o complexo 1,3-dimetoxitetrabutildistanoxano permanece inédito na literatura, assim, motivando este estudo que tem como objetivo o desenvolvimento de uma nanoestrutura híbrida TNT-Distanoxano.

Material e métodos

Materiais Dióxido de titânio (TiO₂, fase anatase, JB Química, 98%), hidróxido de sódio (NaOH, Vetec, 99%), dicloreto de dibutilaestanho (Bu₂SnCl₂, Sigma, 96%), óxido de dibutilestanho (Bu₂SnO, Sigma, 98%), tolueno (Neon, 99%). Síntese dos nanotubos de titanatos - TNT Os TNTs foram sintetizados conforme procedimento adaptado de Kaguga et al. (1998) e seguindo a literatura (Monteiro et al., 2016). Em um procedimento típico, 1,5 g de TiO₂ são suspensos em 120 mL de uma solução 10 mol/L de NaOH por 1 h. Após agitação a suspensão é transferida para um reator autoclave e mantido em estufa por 72 h a 135 °C. Ao final, é realizado um processo de lavagem com a finalidade de neutralização dos TNTs. Síntese do complexo 1,3-dimetoxitetrabutildistanoxano A síntese do distanoxano foi realizada conforme literatura (Tkatchenko et al., 2003). Inicialmente, foi sintetizado o composto dimetoxidibutilstanoxano (1) através da reação do dicloreto de dibutilestanho e metóxido de sódio. Após, uma razão equimolar do óxido de dibutilestanho e do composto (1) são adicionados em um balão de duas bocas juntamente com 15 mL de tolueno. A reação permaneceu em sistema de refluxo com atmosfera de nitrogênio por 4 h a uma temperatura de 120 °C. O solvente é removido a vácuo gerando um sólido branco. Síntese da nanoestrutura híbrida TNT-Distanoxano Inicialmente, 1g do distanoxano foi adicionado a um béquer e diluído em 40 mL de tolueno. Após, foi transferido a um schlenk e a mistura permaneceu em agitação magnética, a uma temperatura de 90 °C, sob atmosfera de nitrogênio por 18 h. Para a retirada do solvente e secagem foi utilizado um sistema à vácuo em temperatura de 90 °C gerando um pó branco. Caracterizações As nanoestruturas foram caracterizadas por analisadas por Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET, FEI Tecnai G2 T20), análise termogravimétrica (TGA, TA Instruments Q600), Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourrier (FTIR, Perkin Elmer Spectrum 100), e difração de raio-X (Shimadzu XRD 7000).

Resultado e discussão

A caracterização inicial da nanoestrutura híbrida foi realizada através de análises por MEV e mapeamento por EDS (Figura 1). Como observado, a funcionalização dos TNT com os distanoxano não afetou a morfologia tubular (Figura 1a), além disso, o mapeamento realizado para a análise por EDS mostra que, além dos sinais dos elementos característicos dos TNT que são titânio, sódio e oxigênio (Monteiro et al., 2017), tem-se a existência dos sinais provenientes do distanoxano que são estanho, carbono e oxigênio. A existência do elemento cloro nesta análise mostra um residual do reagente de partida dicloreto de dibutilestanho, indicando uma necessidade de melhoria do processo de purificação durante a síntese do distanoxano. Através das análises termogravimétricas é possível quantificar a porcentagem de distanoxano ancorado (Figura 2a e 2b). Como observado na Figura 2 a-b, os TNT apresentam uma etapa de degradação até 200 °C, correspondendo à perda dos grupos OH superficiais (25 – 100 °C), bem como, água interlamelar (100 – 200 °C), sendo estável após esta temperatura. Para o distanoxano são observadas duas etapas, sendo a primeira com taxa máxima de perda de massa em 300 °C e a segunda em 380 °C, sendo a perda total de massa igual a 78%. A nanoestrutura híbrida TNT-distanoxano, como observado, apresenta as respectivas perdas de massa referente aos TNT puros (até 200 °C), e acima desta temperatura correspondente ao distanoxano. Através da diferença de perda de massa, descontando o valor obtido para os TNT puros até 200 °C, é possível obter a porcentagem de distanoxano ancorado, sendo de 20%. Para a caracterização estrutural da nanoestrutra TNT-Distanoxano foram realizadas análises por FTIR e DRX (Figura 2 c-d), a fim de verificar a presença das bandas e sinais característicos dos TNT e do distanoxano na nanoestrutura híbrida. Para as análises de FTIR, os TNT apresentam bandas características localizadas em 3400, 1640 e 900 cm^-1 (Monteiro et al., 2017). Quando funcionalizados com o distanoxano, além destes sinais, são observadas também as bandas referentes ao distanoxano localizadas em 3500, 2950-2850, 1465, 1375 e 1080 cm^-1. Na análise de DRX, os picos característicos para os TNT são localizados em 2θ =24°, 28°, 48° e 62° (Liu et al., 2012; Wang et al., 2013, Carvalho et al., 2016). A nanoestrutura TNT-Distanoxano apresenta estes picos característicos dos TNT, porém, tem-se dois sinais novos, de baixa intensidade, localizados em 2θ = 7° e 21° (destacados em cinza) correspondentes a estrutura do distanoxano. Aplicando a equação de Braag ao pico localizado em a 2θ = 10°, referente a distância interlamelar, tem-se os valores de 0,87 nm e 0,91 nm, para os TNT e TNT-Distanoxanos, respectivamente, indicando um aumento nesta distância para a nanoestrutura híbrida.

(a) MEV dos TNT, (b) MEV dos TNT-Distanoxano e (c) mapeamento por EDS dos TNT-Distanoxano.


Resultados obtidos por (a) TGA, (b) DTG, (c) FTIR e (d) DRX para as nanoestruturas desenvolvidas.

Conclusões

No presente trabalho a síntese do composto 1,3-dimetoxitetrabutildistanoxano e o desenvolvimento de uma nanoestrutura híbrida TNT-Distanoxano são apresentados. A caracterização desta nanoestrutura híbrida comprovou a funcionalização dos distanoxano na superfície dos TNT em uma quantidade de 20% (m/m). Os resultados de MEV mostraram que a funcionalização não afetou a morfologia tubular e, além disso, segundo análise de EDS, é observada a boa dispersão do distanoxano nos TNT. Testes futuros permitirão a aplicação desta nanoestrutura tanto como catalisadores na conversão química do CO2 bem como, para adsorção deste gás.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio da CAPES e do CNPq no desenvolvimento deste trabalho através da concessão de bolsas de pesquisa, bem como a PUCRS pelo apoio técnico.

Referências

CARVALHO, D. C.; OLIVEIRA, A. C.; FERREIRA, O. P.; FILHO, J. M.; CUAPA, S.T.; OLIVEIRA, A.C. J. Chem. Eng. v. 313, p. 1454–1467, 2016.

COELHO, D. C.; OLIVEIRA, A. C.; FILHO, J. M.; OLIVEIRA, A. C.; LUCREDIO, A. F.; ASSAF, E. M.; CASTELLÓN, E. R. Chem. Eng. J. v. 290, p. 438-453, 2016.

DUTCHER, B.; FAN, M.; LEONARD, B.; Dyar, M.D.; TANG, J.; SPEICHER, E.A.; LIU, P.; ZHANG, Y. J. f Phys. Chem. A. v. 115, p. 15532-15544, 2011.

GUO, L.; YANG, J.; HU, G.; HU, X.; DACOSTA, H.; FAN, M. Nano Energy. v 25, p. 1-8, 2016.

KASUGA, T.; HIRAMATSU, M.; HOSON, A.; SEKINO, T.; NIIHARA, K. Formation of Titanium Oxide Nanotube. Langmuir. v. 14(12), p. 3160-3163, 1998.

LIU, J.; LIU, Y.; WU, Z.; CHEN, X.; WANG, H.; WENG, X. J. Colloid Interface Sci. v. 386, p. 392-397, 2012.

MONTEIRO, W. F.; VIEIRA, M. O.; AQUINO, A. S.; SOUZA, M. O.; LIMA, J.; EINLOFT, S.; LIGABUE, R. Appl. Catal. A. v. 554, p. 46-54, 2017.

OTTO, A.; GRUBE, T.; SCHIEBAHN, S.; STOLTEN, D. Energy Environ. Sci., v. 8, p. 3283–3297, 2015.

SONG, Q.W.; ZHOU, Z.H.; HE, L.N. Green Chem., v. 19, p. 3707-3728, 2017.

TKATCHENKO, D. B.; JERPHAGNON, T.; LIGABUE, R.; PLASSERAUD, L.; POINSOT, D. Appl. Catal. A. v. 255, p. 93-99, 2003.

WANG, L.; LIU, W.; WANG, T.; NI, J. J. Chem. Eng.v. 225, p. 153-163, 2013.