Desenvolvimento de nanocatalisadores contendo ouro na forma iônica, nanopartículas e clusters dispersos na superfície de óxidos inorgânicos

Abstract

No presente trabalho, foram desenvolvidos materiais nanoestruturados com diferentes composições, morfologias e texturas para atuarem como suportes de espécies catalíticas de ouro, utilizando-se sílica, magnetita e titânia, como matrizes. Em um primeiro estudo foram desenvolvidas duas séries de materiais a base de sílica e magnetita de maneira a criar dois ambientes distintos para deposição de nanopartículas de ouro. Em uma das séries foram criados nanoconteiners para proporcionar ambiente confinado. Para deposição de nanopartículas foi desenvolvida uma estratégia de síntese in-situ, no interior dos nanoconteiners. A diferença nos ambientes confinado e não confinados resultou em diferentes tamanhos de nanopartículas de ouro. O desempenho catalítico desses materiais foi avaliado frente à redução de p-nitrofenol e ambos materiais tiveram o mesmo desempenho catalítico, porém o reciclo do material contendo ouro confinado se mostrou mais efetivo. Em um segundo estudo foi desenvolvido um xerogel de sílica que foi organofuncionalizado com um silsesquioxano iônico. Esse xerogel modificado foi utilizado para ancorar complexo AuCl4- de forma altamente dispersa, via processo de troca iônica. Esse material foi utilizado como catalisador em reações de homoacoplamento de alcinos terminais, utilizando-se somente 0,22 mol% de catalisador ouro. Por fim, em um terceiro estudo, nanotubos de titânia com alta área superficial, na fase anatásio, foram sintetizados. Os nanotubos de titânia foram utilizados como suporte para deposição de espécies de ouro. Foi desenvolvida uma nova estratégia que envolveu o uso de pequenas quantidades de ouro e sua redução em alta temperatura, sob hidrogênio, para obter nanopartículas pequenas e até mesmo clusters com tamanho de 8,9 e 8,7 Å de ouro na superfície dos nanotubos de anatásio. Todos os materiais foram caracterizados usando-se variadas técnicas, como termogravimetria, isotermas de adsorção-dessorção de nitrogênio, espectroscopia UV-Vis, difração de raios X, microscopia eletrônica de transmissão, microscopia eletrônica de transmissão por varredura no modo campo claro e campo escuro anular, entre outros.

In the present work, nanostructured materials based on silica, magnetite and titania, with different composition, morphology and texture were developed to be applied as support for gold species with catalytic activities. In a first study, two series of materials based on silica and magnetite, with distinct environments, were developed to be decorated with gold nanoparticles. In one of these series, nanoconteiners were created to provide confined environment. A strategy was developed for in situ gold nanoparticles synthesis, inside of the nanoconteiners. The difference in confined and unconfined environments resulted in different sizes of gold nanoparticles. The catalytic performance was evaluated on the reduction of p-nitrophenol and both materials presented the same catalytic performance, however the recycling of the material containing confined gold was more effective. Secondly, a xerogel of silica was organofunctionalized with ionic silsesquioxane to be used as support to immobilize AuCl4- by ion-exchange process, in a highly dispersed way. This material was applied as catalyst in the coupling reactions of 1,3-diynes, using only 0.22 mol% of gold catalyst. Finally, nanotubes of titania in the anatase phase, with high surface area, were synthesized. The nanotubes were used as support for gold species. A new strategy was developed to obtain small gold nanoparticles and even gold clusters, with size of 8.9 and 8.7 Å, on titania surface. The strategy involves the use of very small quantity of gold and its reduction at high temperature, under H2 atmosphere. The materials were characterized by several techniques, such as thermogravimetric analysis, nitrogen adsorption-desorption isotherms, UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, scanning transmission electron microscopy in bright-field and annular dark-field imaging, among others.