síntese e caracterização morfológica de nanotubos de carbono

SÍNTESE
E
NANOTUBOS
MÉTODO CVD
CARACTERIZAÇÃO
MORFOLÓGICA
DE
DE
CARBONO
SINTETIZADOS
PELO
Tiago Leonardi1, Marcel Marchesin1, Julio Roberto Bartoli1, Inés Pereyra2,
Marcelo Carreño2, Igor Abe2
1
Universidade Estadual de Campinas, DemBio – Faculdade de engenharia
Química
2
Universidade de São Paulo, LME - Escola Politécnica da USP
INTRODUÇÃO
Nanotubos de Carbono (NTCs) foram descritos, pela primeira vez, por Iijima
[1] e segundo Belin e Epron [2]. Desde sua descoberta, os NTCs têm sido
estudados quanto aos parâmetros de síntese e interessantes resultados
foram obtidos na área de nanotecnologia. O objetivo desta pesquisa é
explorar as rotas de síntese via CVD utilizando o catalisador binário Co/Mn e
avaliar as interações entre os parâmetros temperatura, razão de fluxo de
CH4/N2 e tempo de síntese utilizando um planejamento fatorial de
experimentos 23. As variáveis de reposta obtidas, como diâmetro, pureza e
tipos de NTCs, serão tratadas estatisticamente na otimização da síntese de
nanotubos nas condições propostas.
MÉTODOS
As amostras foram preparadas num reator CVD de leito fixo marca Kokusai –
Tokyo Japan (LME/EPUSP). Para síntese dos catalisadores utilizaram-se os
sais: Acetato de Co II (P.A.) e Acetato de Mn II (P.A.) (Vetec), misturados a
etileno glicol sob agitação constante e refluxo a 90 °C por 5h. A solução é
seca a 200 °C por 24 h obtendo-se o catalizador, um pó roxo, que é
macerado em gral e peneirado a 325 mesh. O catalisador é disperso no
substrato de quartzo (25 mm2) e pesado. O substrato + catalisador são
submetidos a um tratamento térmico a 700˚C, sob atmosfera de N 2
(99,995%), por 1h. Os experimentos são conduzidos conforme planejamento
fatorial (Tabela 1), para as variáveis: temperatura, fluxo de gás CH 4
(99,999%) na razão desejada CH4/N2 e tempo de síntese. A amostra é então
resfriada até 250˚C, sob N2, retirada do forno e pesada à temperatura
ambiente.
Tabela 1. Planejamento fatorial de experimentos 2 3 e 3 pontos centrais.
Ensa
io
X1
Níveis Codificados
X2
X3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
0
0
0
-1
-1
1
1
-1
-1
1
1
0
0
0
-1
-1
-1
-1
1
1
1
1
0
0
0
Níveis das Variáveis
Temperatura
Proporção
(°C)
CH4/N2
850
950
850
950
850
950
850
950
900
900
900
1:1
1:1
3:1
3:1
1:1
1:1
3:1
3:1
2:1
2:1
2:1
Temp
o
(min)
5
5
5
5
25
25
25
25
15
15
15
As caracterizações via Microscopia eletrônica de varredura (Nano SEM400 –
FEI) no LSI/EPUSP, a 20 kV e ampliações de 20 a 300 mil vezes e via
Microscopia eletrônica de transmissão (JEOL JEM 2100F HRP) no LNNano, a
300 kV e ampliações de 50 a 800 mil vezes com fonte de elétrons de LaBF6.
As respostas como diâmetro e pureza NTCPM estão sendo serão tratadas
estatisticamente via software StatisticaTM para avaliar a significância das
variáveis e suas possíveis interações.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na análise via MEV, as amostras de NTCs foram depositadas na forma de pó
sobre uma fita adesiva dupla face de carbono afixada em porta amostra de
alumínio e analisadas sem recobrimento. As imagens MEV da Fig. 1 são
referentes à amostra 3 e similares às demais, mostram alta densidade de
NTCs aglomerados (diâmetros entre 13 e 38 nm), juntamente com algumas
partículas de catalisador na forma residual ou não reagidas (partículas
esféricas).
(a)
(b)
Figura 1. Imagens de MEV
dos NTCs nas condições experimentais do ensaio 3.
A análise via MET foi realizada também com a amostra 3 do planejamento
experimental, até
o momento.
Uma porção da
amostra
foi
ultrassonicamente dispersa em metanol e, depositada sobre uma grelha de
cobre de malha 400 recoberto com um filme de carbono.
(b)
(a)
Figura 2. Imagens MET dos NTCs
A Fig. 2. a) mostra em detalhes que os NTCs identificados na amostra são do
tipo bamboo-like com cerca de dez paredes concêntricas. A Fig. 2 b) mostra
que os diâmetros dos nanotubos estão próximos aos estimados por MEV
(Fig. 1.). A amostra foi submetida a uma purificação química utilizando
banho de HCl, promovendo a remoção de resíduos catalíticos e
praticamente não se observando regiões escuras geradas por contraste de
número atômico.
CONCLUSÕES
As caracterizações via MEV mostraram que as amostras do planejamento
apresentam aglomerados de NTCs, partículas de catalisador encapsuladas
por nanotubos e partículas de catalisador sem reagir. As imagens de MET da
amostra 3, após purificação química, mostram NTCs do tipo bamboo-like
com cerca de dez paredes concêntricas. As caracterizações MET das demais
amostras estão em andamento.
AGRADECIMENTOS
A Adir Moreira (LSI/EPUSP), LNNano, CNPq e CAPES.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
[1] IIJIMA, S. Nature, v.354, p. 56, 2001.
[2] BELIN,T. Mat. Sci. and Eng.,B 119, p.105, 2005.