Autores
Barbosa, T.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI) ; Pereira, A.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI)
Resumo
Este trabalho visou realizar a síntese de Borofeno e avaliar seu potencial como
material modificador no desenvolvimento de sensores eletroquímicos, onde o
Borofeno foi obtido por uma rota de síntese simples, do tipo top-down, o qual foi
posteriormente caracterizado por diferentes técnicas como Espectroscopia de
Impedância Eletroquímica e Infravermelho. Por meio da diferença de corrente de
pico catódico entre um sistema sem e com uma sonda eletroquímica foi possível
comparar a os resultados obtidos de 2,3 A para eletrodo sem modificação e de 8,25
A para o eletrodo modificado resultando em um aumento de 356% da corrente em
relação ao eletrodo não modificado.
Palavras chaves
Borofeno; Sensor Eletroquímico; Caracterização
Introdução
Eletrodos empregados em medidas eletroquímicas podem ser modificados, para a
melhora do desempenho analítico. Estes passam por uma modificação das espécies
quimicamente ativas imobilizadas em sua superfície, sendo denominados Eletrodos
Quimicamente Modificados.
Os Eletrodos Quimicamente Modificados são o resultado da imobilização de um ou
mais agentes modificadores na superfície de um eletrodo base, tal modificação
tem o intuito de controlar a natureza físico-química da interface eletrodo-
solução. Este controle permite uma variação na seletividade e na reatividade do
sensor base, possibilitando o desenvolvimento de eletrodos com diferentes
aplicabilidades. (Coelho, et al. 2018)
Com o intuito de explorar a aplicação de novos materiais como material
modificador em sensores eletroquímicos, propõem-se o desenvolvimento de um
sensor de cobre modificado com borofeno. Uma vez que este material vem se
destacando, por suas propriedades físicas e químicas, sendo que foi previsto há
mais de uma década. (Omidvar 2017) Vale ressaltar que o Boro (B), material
precursor do borofeno (2D-B), já chama atenção devido a coexistência de
propriedades covalentes e iônicas, além de uma estrutura eletrônica versátil,
com características semicondutoras, semi-metálicas e metálicas. (Kistanov, et
al. 2018)
Portanto este trabalho visa realizar a síntese do borofeno e avaliar seu
potencial como material modificador em conjunto com eletrodo metálico de cobre
no desenvolvimento de sensores eletroquímicos. Além disso o êxito na construção
do sensor possibilitará a investigação e a implementação deste material em
analises de diferentes analitos de forma barata e eficiente.
Material e métodos
O material foi sintetizado (2D-B), inicialmente pesando-se 10 mg de Boro em pó,
adicionando-o em um frasco de vidro transparente e com tampa rosqueada, com 10
ml de Dimetilformamida (DMF), fazendo uso de fita veda rosca para um melhor
fechamento do frasco. Posteriormente a solução foi levada para banho ultrassom,
com potência de 135 W, por aproximadamente 8 horas. Na sequência realizou-se a
centrifugação por 30 min a uma velocidade de 3000 rpm, onde o sobrenadante foi
coletado e armazenado, uma vez que este é uma dispersão de borofeno.
Para a construção do sensor iniciou-se cortando 8 cm de um fio de cobre com área
de 4 mm2. Uma das extremidades foi lixada, com lixa d’água 400, até a obtenção
de uma superfície plana. Subsequentemente foi realizado a limpeza da sua
superfície plana com ácido nítrico, álcool, alumina e água. Na superfície do fio
limpa depositou-se uma alíquota de 2 L da dispersão de borofeno, este fio foi
levado para estufa a 50 ºC até a secagem do material, assim sendo formado o
eletrodo de trabalho (Cu/2D-B).
Estudou-se o comportamento eletroquímico do 2D-B como modificador de um sensor,
para isso foi analisado o comportamento da hidroquinona (solução estoque de
concentração igual a 1 mol L-1), que teve o papel de sonda eletroquímica frente
ao sensor Cu/2D-B. Foi utilizado célula eletroquímica convencional de três
eletrodos, conectado a um Multi Potenciostato/Galvanostato que estava
interfaceado a um computador contendo o software Nova 2.1 para obtenção e
análise dos dados. Por meio da Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE)
foi determinado a resistividade do sensor e a capacitância da dupla camada
elétrica, além disso por meio da técnica de voltametria cíclica foi calculado a
área eletroativa do sensor.
Resultado e discussão
O 2D-B foi obtido seguindo a metodologia de síntese simples, do tipo top-down,
realizada por banho ultrassom. Para ratificar a efetividade da síntese realizou-
se algumas técnicas de caracterização. Por meio da Espectroscopia de
infravermelho, Figura 1, observou-se a presença de bandas características da
formação do 2D-B conforme descrito na literatura (Taşaltın, et al. 2021).
Realizou-se a EIE, que fornece dados sobre o processo de transferência de cargas
no sistema. Uma das formas de obter tais informações é por meio do Diagrama de
Nyquist, Figura 2-A, sendo possível determinar a resistência de transferência de
carga, 29,2 K para o Cu/2D-B e 57,2 K para o Eletrodo de Cobre (ECu), e a
capacitância da dupla camada elétrica, 27,0 S s0,652 para o Cu/2D-B e 9,00 S
s0,652 para o ECu. A redução na resistividade do sistema e o aumento a
capacitância da dupla camada elétrica são indicativos de um aumento da área
eletroativa (A) após a modificação.
Por fim realizou-se a comparação entre os valores de corrente obtidas para o
processo redox da HQ frente ao ECu e frente ao Cu/2D-B. Para realização desta
analise empregou-se a técnica de Voltametria Cíclica, Figura 2-B, que também
serviu para determinar a A dos eletrodos, para isso fez-se uso da equação de
Randles-Sevcik, onde a A do ECu foi de 4,21x10-5 cm2 e do Cu/2D-B foi de
1,489x10-4 cm2, um aumento de 353,68%. Por meio da corrente de pico catódico foi
possível comparar os resultados obtidos, tendo um aumento de 356% do Cu/2D-B em
relação ao ECu, que possivelmente deve-se ao aumento de sítios ativos gerados
pela modificação.
Figura 1: Espectroscopia de Infravermelho do 2D-B.
Figura 2: A) Diagrama de Nyquist e B) Voltametria Cíclica para o Cu/2D-B e ECu para um sistema contendo10-2 mol L-1 de HQ em tampão fosfato.
Conclusões
Ao analisarmos os resultados obtidos pela EIE para o ECu e o C/2D-B vemos que o
2D-B tende a comporta-se como um condutor, tornando-o um material de interesse no
desenvolvimento de sensores eletroquímico. Além disso podemos observar que a
utilização do 2D-B como material modificador de eletrodos mostra-se efetiva, uma
vez que foi possível observar um aumento na área eletroativa do sensor e nos
valores de corrente de pico catódico. Também avalia-se que a síntese realizada foi
simples, de baixo custo e efetiva, possibilitando o desenvolvimento de possíveis
sensores eletroquímicos.
Agradecimentos
Universidade Federal de São João del Rei, Labsensor-UFSJ; GPPE; FQMat; CNPq;
Fapemig; INCT-DATREM; CAPES.
Referências
Coelho, Malena Karla Lombello, Hanna Leijoto de Oliveira, Fernanda Garcia de Almeida, Keyller Bastos Borges, César Ricardo Teixeira Tarley, e Arnaldo César Pereira. “Development of carbon paste electrode modified with cadmium ion-imprinted polymer for selective voltammetric determination of Cd2+.” International Journal of Environmental Analytical, Janeiro de 2018.
Kistanov, Andrey A., Yongqing Cai, Kun Zhou, Narasimalu Srikanth, Sergey V. Dmitriev, e Yong-Wei Zhang. “Exploring the charge localization and band gap opening of borophene: a first-principles study.” Nanoscale, 2018: 1403-1410.
Li, Hongling, et al. “Scalable Production of Few-Layer Boron Sheets by Liquid-Phase Exfoliation and Their Superior Supercapacitive Performance.” ACS Nano, 19 de Janeiro de 2018.
Omidvar, Akbar. “Borophene: A novel boron sheet with a hexagonal vacancy offering high sensitivity for hydrogen cyanide detection.” Computational & Theoretical Chemistry, Setembro de 2017: 179-184.
Taşaltın, C., T. A. Türkmen , N. Taşaltın, e S. Karakuş. “Highly sensitive non-enzymatic electrochemical glucose biosensor based on PANI: b12 Borophene.” J Mater Sci: Mater Electron, 2021, 32 ed.: 10750–10760.
