7º Encontro Nacional de Tecnologia Química
Realizado em Vitória/ES, de 17 a 19 de Setembro de 2014.
ISBN: 978-85-85905-08-8

TÍTULO: EFEITO DA FUNCIONALIZAÇÃO DO SUPORTE DE NANOTUBO DE CARBONO NA CARACTERIZAÇAO FÍSICO-QUÍMICA DE LIGAS PtSn/CNT PARA APLICAÇÕES EM DEFCs

AUTORES: Valente Silva, U.L. (UFPA) ; Gomes, W.S. (UFPA) ; Quadros, F.M. (UFPA) ; Miranda, I.S. (UFOPA) ; Souza, J.P.I. (UFPA)

RESUMO: Três métodos diferentes de funcionalização do suporte de nanotubo de Carbono de (CNT) em ligas PtSn/CNT foram estudados afim de investigar o efeito da funcionalização na caracterização físico-química dessas ligas visando aplicações em células a combustível de etanol direto (DEFCs).Os Suportes foram funcionalizados por H2SO4/HNO3 , H2SO4/HNO3/HCl e HF/H2O2 . As ligas PtSn/CNT foram sintetizados pelo método de redução por borohidreto. A técnica de espectroscopia Raman foi utilizada para determinar os Índices de grafitização dos suportes.Os grupos funcionais característicos foram identificados por FTIR e o tamanho médio das partículas e os parâmetros de redes foram obtidos por DRX. A funcionalização por HF/H2O2 foi a mais eficiente e a liga PtSn/CNT-HF/H2O2 teve o menor tamanho de partícula.

PALAVRAS CHAVES: Funcionalização; Nanotubos de Carbono; Ligas PtSn

INTRODUÇÃO: Os Nanotubos de Carbono apresentam um enorme potencial econômico na atual paisagem tecnológica mundial. Estes possuem aplicações importantes em diversas áreas e ultimamente vem recebendo destaque também na área de produção e estocagem de energia. Nesta área,os nanotubos de carbono (CNTs) devido as suas propriedades elétricas, químicas e mecânicas especiais vem sendo extensivamente estudados como alternativa de suporte de catalisadores principalmente em dispositivos eletroquímicos denominados de células a combustível de etanol direto conhecidos como DEFCs1. Uma DEFC baseia-se no fato de no ânodo haver oxidação de etanol e no cátodo a redução de oxigênio, sendo a platina um catalisador fundamental para as reações eletródicas.É comumente aceito na literatura que o Sn adicionado a Pt melhora a sua atividade com relação à eletro-oxidação de etanol. Diante disso a liga PtSn suportada em nanotubos de carbono é algo bem relevante no estudo de eletrocatalisadores para as DEFCs.No entanto, os nanotubos de carbono são quimicamente inertes e hidrofóbicos, portanto, precisam ser funcionalizados para permitir sua dispersão em meio aquoso, e ,também aumentar a eficiência de recobrimento por nanopartículas metálicas de Pt e ligas de Pt sobre sua superfície2. A funcionalização é um processo químico que insere grupos funcionais nos suportes que vão ser utéis para se obter melhor dispersão de nanomateriais de carbono3. O desempenho das DEFCs está intimamente relacionada com as atividades catalíticas das Ligas anódicas utilizadas e esta atividade depende das características físico-químicos que as ligas apresentam. O objetivo deste trabalho foi de Investigar o efeito da funcionalização de nanotubos de carbono na caracterização físico-química de ligas PtSn/CNTs.

MATERIAL E MÉTODOS: No primeiro processo de funcionalização (H2SO4/HNO3/HCl) 0,2g de CNT foi imerso em uma solução 3M de H2SO4/HNO3 (3:1) à temperatura ambiente. Depois disso, o suporte é tratado num banho de ultra-son durante 20 min e mantida em repouso durante 3 h .Então 1ml de ácido clorídrico é adicionado à solução. Subsequentemente, esta solução é neutralizada com hidróxido de amónio 3M e filtrada. O segundo procedimento (H2SO4/HNO3) foi o mesmo processo do primeiro, porém não ocorreu a adição de HCl. Para o terceiro método (HF/H2O2) 0,2g de CNT foi lavado em 3ml de acetona e em seguida imerso em 4ml de solução de NaOH 0,2M.A solução ficou sob agitação por 1 h em temperatura ambiente a fim de tornar os suportes completamente hidrofílicos.Depois adicionou-se uma solução de 2,6 ml de HF (40 wt.%) e 8,8 ml de água deionizada .Filtrou-se e a secou-se a 80 ºC sob vácuo durante 24 h. Posteriormente foi realizado o tratamento por aquecimento por microondas intermitente (IMH) assistida com solução de H2O2. Neste processo, o CNT tratado com HF foi misturado com 2,33ml de H2O2 30 % em peso.A solução foi agitada durante 2 min e colocada em um forno de microondas,onde ficou na forma de pulso de 5s-on e 5s-off por diversas vezes, até levar à formação de um pó preto. As Características morfológicas dos CNTs foram analisadas por espectroscopia RAMAN e FTIR. A síntese da ligas PtSn/CNT foram realizadas pelo método de redução por Borohidreto (Com os sais precursores dos metais com volumes calculados afim se sobter Pt e Sn na razão de 1:1 ). As ligas PtSn foram denominados PtSn/CNT- H2SO4/HNO3/HCl , PtSn/CNT-H2SO4/HNO3 e PtSn/CNT-HF/H2O2 conforme o tipo de funcionalização do suporte de CNT.Os aspectos Cristalográficos das ligas foram realizadas por DRX.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Os espectros de Raman dos nanotubos de carbono CNTs destacando as bandas D e G com os respectivos índices de grafitização estão apresentados na figura 1. Como pode ser observado no gráfico os índices de grafitização dos CNTs apresentaram a seguinte ordem : CNT-HF/H2O2 ˃ CNT- H2SO4/HNO3/HCl ˃ CNT- H2SO4/HNO3 siginificando que a funcionalização com HF/H2O2 proporcionou maiores defeitos nas estruturas dos CNTs o que resultaria em maiores “pontos” de ancoragem para nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas de PtSn. Yin et al. (2009) obteve resultados semelhantes com o apresentado neste trabalho obtendo CNT-HF/H2O2 ˃ CNT- HF/H2O2 ˃ CNT- H2O2 ,porém os índices de grafitização foram baixos em relação ao CNTs como recebido ,com excessão do CNT- HF,onde este apresentou um índice de 1,15 . Osório et al. (2008) apresentou baixos índices de grafitização em relação a este trabalho,porém os índices de grafitização foram altos em relação ao CNTs como recebido, a ordem obtida foi de CNT- H2SO4/HNO3/HCl ˃ CNT- H2SO4/HNO3 > CNT- HNO3 ,onde o IDG do CNT- H2SO4/HNO3/HCl foi 0,37. Os resultados de FTIR para os nanotubos de carbono estão representados na figura 2. Nas amostras de CNT-H2SO4/HNO3/HCl e CNT- H2SO4/HNO3 aparece o pico de 1634 cm-1 que é atribuído a grupos COOH. Em CNT-HF/H2O2, aparece o pico de 1580 cm- 1.Este pico é atribuído à flexão de vibração no grupo COOH , Tal efeito é relacionado à força oxidante estabelecida por uma solução de H2O2, especialmente sob as condições de aquecimento por microondas. A análise de DRX mostrou que a liga PtSn/CNT-HF/H2O2 tem o menor tamanho médio de partícula (2,9 nm) o que pode ser atribuído aos microporos produzidos por HF e o efeito de grupos funcionais contendo oxigênio na superfície4.

Figura 1

Espectro de Raman dos suportes (a) CNTs-HF/H2O2 (b) CNTs-H2SO4/HNO3/HCl (c) CNTs-H2SO4/HNO3 e (d) CNTs como recebido.

Figura 2

FIGURA2. Espectro de FTIR dos nanotubos de carbono a) CNTs-HF/H2O2 (b) CNTs-H2SO4/HNO3/HCl (c) CNTs- H2SO4/HNO3 e (d) CNTs como recebido.

CONCLUSÕES: A partir das avaliações das analíses físico-químicas verificou-se que a funcionalização dos nanotubos de carbono por HF/H2O2 mostrou-se mais eficiente que por H2SO4/HNO3 e H2SO4/HNO3/HCl pois proporcionou maiores defeitos nas estruturas dos nanotubos de carbono. As ligas PtSn/CNT-HF/H2O2 apresentaram os menores tamanhos médios de cristalito o que poderia significar melhores desempenhos como catalisadores em ânodos de células a combustível de etanol direto.

AGRADECIMENTOS: Ao LeCaC e ao LAPAC pela disponibilidade para realização dos experimentos, a UFPA pelo incentivo e a CAPES pela bolsa de pesquisa.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: 1. THOMAS J. E. ; BONESI A. R. ; MORENO M. S. ; VISINTIN A. ;CASTRO LUNA A.M. ; TRIACA W.E. Carbon nanotubes supports for ethanol oxidation. International Journal of hydrogen energy,v. 35,p.11681-11686,2010.

2. OSORIO, A. G. ; SILVEIRA, I.C.L; BUENO V. L. ; BERGMANN C.P. H2SO4/HNO3/HCL-Functionalization and its effect on dispersion of carbon nanotubes in aqueous media. Applied Surface Science ,v. 255,p. 2485-2489,2008.

3. WANG,D. ; LU,S. ; JIANG S.P. Tetrahydrofuran-functionalized multi-walled carbon nanotubes as effective support for Pt and PtSn electrocatalysts of fuel cells. Eletrochimica Acta, v.55, p. 2964-2971,2010.

4. YIN, S. ; SHEN, P.K. ; S. SONG, S. ; JIANG S.P. Functionalization Of carbon nanotubes by na effective intermittent microwave heating-assisted HF/H2O2 treatment for electrocatalyst of fuel cells. Electrochimica Acta,v. 54,p. 6954-6985,2009.