Funcionalização química e ativação eletroquímica em eletrodos de pasta de nanotubos de carbono

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

Físico-Química

Autores

Silva Alves, T. (UEMS) ; José de Arruda, G. (UEMS)

Resumo

Este trabalho apresenta a influencia da funcionalização química e ativação eletroquímica em eletrodos de pasta de nanotubos de carbono, utilizando a voltametria cíclica. A funcionalização química dos nanotubos de carbono foram realizadas em uma mistura de ácido sulfúrico e nítrico e a ativação eletroquímica foram realizadas em uma solução de ácido sulfúrico 0,5 M, utilizando ciclagens voltamétrica na região anódica e catódica de potencial. Os resultados obtidos mostraram que funcionalização e ativação aumenta a atividade eletrocatalítica na reação Fe^(II)/Fe^(III) na superfície dos eletrodos. A ativação eletroquímica na região anódica de potencial apresentou elevação na corrente de pico, mais de 130%, quando comparado com o mesmo eletrodo sem ativação.

Palavras chaves

Nanotubos de carbono; Ativação eletroquímica; Funcionalização

Introdução

Os nanomateriais são partículas que apresentam uma dimensão em escala nanométrica dando-lhes novas propriedades. A estrutura dos nanomterias de carbono permite a interação com moléculas orgânicas através de ligações de hidrogênio e forças de Van der Waals, provocando a adsorção de diversos tipos de substâncias. Os nanotubos de carbono têm recebido muitas atenções devido às suas variadas propriedades físicas como: elétricas, mecânicas, magnéticas, e térmicas, as quais são melhoradas quando comparadas quando não não estão na forma manométricas (ZHANG et. al, 2003). A ativação eletroquímica consiste na modificação da superfície do eletrodo para aumentar a condutividade e controlar sua reatividade e seletividade. Na funcionalização e na ativação, ocorre a ativação de grupos funcionais presentes na superfície da macromolécula, como ácidos carboxílicos e hidroxilas, através de reações de oxidação (FEITOSA 2009). O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da funcionalização e ativação eletroquímica em eletrodo de nanotubos de carbono, na reação Fe^(II) /Fe^(III), utilizando a voltametria cíclica (VC).

Material e métodos

Para as medidas, foi utilizada uma célula eletroquímica para 3 eletrodos como contra-eletrodo: eletrodos de fio de platina , referência (Ag/AgCl) e eletrodo de trabalho. Foram utilizados 2 eletrodos de trabalho: eletrodo de pasta de nanotubos de carbono (EPNC) e eletrodo de pasta de nanotubos funcionalizado (EPNC-F). A funcionalização dos nanotubos foi realizada pela adição de 30 mL de H₂SO₄ (concentrado - VETEC) e 10 mL de HNO₃ (concentrado-VETEC) em 304,8 mg de nanotubo, e deixado em agitação por 12 horas, depois a suspensão foi filtrada em membrana filtrante e lavado até atingir pH 6. O filtrado foi seco em estufa com temperatura de 120 °C. A ativação eletroquímica foi realizada, utilizando VC em uma solução de 0,5 M de ácido sulfúrico em duas janelas de potencial. Região anódica 0 a 1 V obtendo o eletrodo ENPC-AE1 (sem funcionalização) e ENPC-F-AE1 (funcionalizado), e região catódica 0 a -1 V obtendo o eletrodo ENPC-AE2 (sem funcionalização) e ENPC-F-AE2 (funcionalizado), ambas ativações foram realizadas com 10 varreduras em velocidade de 100 mVs^-1. As medidas VC foram realizadas em Potenciostato/Galvanostato AUTOLAB PGSTAT 12 interfaciado a um computador e gerenciado pelo software NOVA 1.10 para obtenção e tratamento dos dados. Os eletrodos foram preparados pelos componentes, 75% nanotubos em pó e 25% nujol como aglutinante. A pasta foi obtida pela mistura dos constituintes, que foram macerados por 40 minutos. Para avaliar a influência da funcionalização e da ativação, foram realizadas medidas de VC, utilizando uma solução indicadora de K₃[Fe(CN) ₆] a 5 mM em KCl 0,5 M e velocidade de 100 mVs^-1. Todas as medidas foram realizadas após 10 minutos de purga de nitrogênio com 99,999% de pureza.

Resultado e discussão

Nos voltamogramas obtidos utilizando uma solução K₃[Fe(CN) ₆] (Figura 1), observa-se dois picos, um de oxidação e outro de redução. O par redox em Epa = 0,56V e Epc = 0,45V são atribuídos ao processo Fe^(II)/Fe^(III). Os eletrodos de nanotubos funcionalizado e ativados eletroquímica proporcionam um aumento na intensidade da corrente de pico do par redox Fe^(II)/Fe^(III) . O Ip do EPNC-AE1 em relação à EPNC ocorre um aumento na corrente de pico de 32,85 % para o pico de oxidação e 17,98% para o pico de redução, EPNC-AE2 em relação à EPNC ocorre um aumento de 45,94% (oxidação) e 38,40% (redução), em EPNC-F em relação à EPNC ocorre um aumento de 106, 01% (oxidação) e 132,08% (redução), EPNC-F-AE1 em relação à EPNC ocorre um aumento de 133,98% (oxidação) e 108,16% (redução), EPNC-F-AE2 em relação a EPNC ocorre um aumento de 109, 63% (oxidação) e 103,69% (redução) (Tabela 1). Observa-se ausência de pico no voltamograma do eletrólito KCl. Na funcionalização os nanotubos são oxidados pela mistura de ácidos, deixando expostos compostos como carbonilas, hidroxilas e ésteres, atribuindo ao composto uma maior reatividade (FILHO et. al, 2007). Na ativação eletroquímica a solução de H₂SO₄ oxida a superfície dos eletrodos de nanotubos, gerando uma espécie de filme no qual se encontravam presentes grupos óxidos funcionais, tais como álcoois (fenóis), ácidos carboxílicos, cetonas e anidridos. A concentração desses grupos é elevada na superfície do eletrodo através de reações de oxidação, aumentando ainda mais a reatividade do eletrodo (SOUZA et. al, 1997).

Voltamogramas Cíclicos. 5 mM de K3[Fe(CN)6] em 0.5 mM de KCl e = 100 mVs-1. Eletrodos EPNC, EPNC-F, EPNC-AE1, EPNC-F-AE1, EPNC-AE2 e EPNC-F-AE2.


Valores de Ip e Ep. 5 mM de K3[Fe(CN)6] em 0.5 M de KCl e  = 100 mVs-1.

Conclusões

De acordo com os resultados apresentados, a presença de nanotubo funcionalizado e ativado eletroquimicamente em região anódica EPNC- F-AE1, influencia de forma positiva na resposta eletroquímica do ferro, aumentando a corrente de pico em 133,98% para o pico de oxidação e 108,16% para o pico de redução em relação ao eletrodo EPNC. Desta maneira conclui-se que tanto a funcionalização e a ativação eletroquímica podem ser usadas para aumentar a atividade catalítica dos eletrodos de nanotubos de carbono.

Agradecimentos

UEMS, FINEP, CNPq e Fundect

Referências

 FEITOSA, J.P.M.; Funcionalização covalente e não covalente de nanotubos de carbono. 2009. 73. f. Dissertação de mestrado em química. Centro de ciências departamento de química orgânica e inorgânica. Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009.
 FILHO, A.G.S.; FAGAN, S.B. Funcionalização de nanotubos de carbono. Química Nova, v.30, n. 7, p.1695-1703, 2007.
 ROSA, T.F.; SACZK, A.A.; ZANONI, M.V.B.; STRADIOTTO, N.R. Determinação voltamétrica do nedocromil de sódio utilizando eletrodo de carbono vítreo. Eclética Química, v.28, n. 2, p. 63–68, 2003.
 SOUZA, M. F. B.; Eletrodos quimicamente modificados aplicados à eletroanálise: uma breve abordagem. Química Nova, v. 20, n. 2, p. 191-195, 1997.
 ZHANG, B.T.; ZHENG, X.; LI, H.F.; LIN, J.M. Application of carbon-based nanomaterials in sample preparation. Analytica Chimica Acta, v.784, p. 1-17, 2013.