síntese e caracterização morfológica de nanotubos de carbono

SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA DE NANOTUBOS DE CARBONO
SINTETIZADOS PELO MÉTODO CVD
Tiago Leonardi1, Marcel Marchesin1, Julio Roberto Bartoli1, Inés Pereyra2, Marcelo Carreño2,
Igor Abe2
1
Universidade Estadual de Campinas, DemBio – Faculdade de engenharia Química
Universidade de São Paulo, LME - Escola Politécnica da USP
2
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 N2 (99,995%), por 1h. Os experimentos são conduzidos conforme
planejamento fatorial (Tabela 1), para as variáveis: temperatura, fluxo de gás CH4 (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 23 e 3 pontos centrais.
Níveis Codificados
Níveis das Variáveis
Ensaio
X1
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
Temperatura
(°C)
850
950
850
950
850
950
850
950
900
900
900
Proporção
CH4/N2
1:1
1:1
3:1
3:1
1:1
1:1
3:1
3:1
2:1
2:1
2:1
Tempo
(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.
(a)
(b)
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.