Síntese e caracterização de redes tridimensionais de nanotubos de carbono utilizando o composto catalisador a magnésio-ferrita nanoestruturada

Abstract

A presente tese de doutorado apresenta, pela primeira vez, a produção de estruturas tridimensionais (3D) de nanotubos de carbono (NTC), nomeadas esponjas de NTC, por deposição química de vapor (CVD) empregando o catalisador sólido nanoestruturado em pó (magnésio ferrita - MgFe2O4). As nanopartículas de MgFe2O4 foram produzidas por síntese de combustão em solução (SCS). Esta técnica permite a produção de pós nanoestruturados de baixo custo e elevada qualidade. Sabe-se que as nanopartículas de MgFe2O4 são excelentes catalisadores para a produção de nanotubos de carbono (NTC). Propriedades como área superficial, inversão do espinélio, tamanho de cristalito, grau de aglomeração e sua correlação com as forças de van der Waals foram examinadas nesta tese. A síntese de arquiteturas 3D de NTC continua sendo um dos desafios mais importantes na nanotecnologia. Estes sistemas possuem um grande potencial para supercapacitores, eletrodos catalíticos, músculos artificiais e em aplicações ambientais. Nesta tese, realizou-se o estudo detalhado da influência dos parâmetros de síntese por CVD na obtenção de esponjas de NTC. Parâmetros como tempo de síntese, temperatura, fluxo de hidrogênio, fluxo de hexano e quantidade de catalisador empregado foram avaliados. A rota de síntese desenvolvida dispensa sistemas de aerossol, agentes dopantes e catalisadores comerciais, reduzindo significativamente o custo e a complexidade da síntese de esponjas de NTC, facilitando a reprodutibilidade. Ao final do estudo foi possível obter-se uma rota de síntese padrão com os seguintes parâmetros: 0,100 g de quantidade de catalisador, 100 cm3/min de fluxo de Hidrogênio, 40 minutos de tempo de síntese, 850º C de temperatura, 150 cm3/min de fluxo de Hexano e 300 cm3/min de fluxo de Argônio. Partindo deste padrão foi possível obter esponjas de NTC com tamanho de 8,78 mm de altura x 14 cm de comprimento x 9,9 mm de largura com cerca de 0,770 g. As esponjas sintetizadas apresentaram resistência à deformação mecânica e a temperatura, além de alta absorção de fluidos apolares (cerca de 1600 % em peso de gasolina e óleo diesel em apenas um minuto de contato). Estas propriedades indicam que as esponjas produzidas são fortes candidatas para aplicações ambientais.

This PhD thesis presents, for the first time, the production of carbon nanotube (CNT) sponges by chemical vapor deposition (CVD) employing solid nanopowered catalyst (magnesium-ferrite - MgFe2O4). Nanoparticles of MgFe2O4 were produced by solution combustion synthesis (SCS). This technique allows the production of low cost and high quality nanostructured powders. It is known that nanoparticles of MgFe2O4 are excellent catalysts for the production of carbon nanotubes. Properties such as surface area, spinel inversion, crystallite size, degree of agglomeration and its correlation with van der Waals forces were examined in this thesis. The synthesis of CNT 3D architectures remains one of the most important challenges in nanotechnology nowadays. These systems have high potential for application as supercapacitors, catalytic electrodes, artificial muscles and environmental applications. In this thesis, it was carried out a detailed study of the influence of the CVD synthesis parameters in the obtaining of CNT 3D Sponges. Parameters such as synthesis duration time, temperature, hydrogen flow, hexane flow and amount of catalyst employed were evaluated. The developed synthesis route dispenses aerosol systems, dopant agents and commercial catalysts, reducing significantly the synthesis cost and complexity, in a synthesis of easy reproducibility. At the end of the study, t was possible to obtain a standard synthesis route with the following parameters: 0.100 g of catalyst amount, 100 cm 3 / min of Hydrogen flow, 40 minutes of synthesis time, 850 ° C of temperature, 150 cm 3 / min of Hexane flow and 300 cm 3 / min of Argon flow. From this standard it was possible to was possible to obtain 3D CNT sponges with a size of 8.78 mm in height x 14 cm in length x 9.9 mm thick, weighting about 0.770 g. Macrostructure resistance to mechanical deformation and temperature, besides the high absorption of non-polar fluids (about 1600 wt. % to gasoline and diesel oil in only one minute of contact between them), indicate that the produced sponge is a strong candidate for environmental applications.