Estudo e aplicações de nanomateriais multifuncionais: propriedades de transporte de nanotubos de titanato e novos materiais baseados em óxido de grafeno

• Main Author: Diego Carvalho Barbosa Alves
• Other Authors: Andre Santarosa Ferlauto
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2013
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9LFGTF

=== In this work, we investigate the properties and applications of two multifunctional nanomaterials; titanate nanotubes (TNTs) and graphene oxide (GO). In the first part, TNTs were applied as hydrogen gas sensor and presented sensitivity in a range 50 - 5000 ppm at low operating temperature (100 - 150 oC), which was associated with the modulation of protonic transport at the TNTs surface. The transport properties of TNTs were further investigated by impedance spectroscopy. The study of TNT conductivity with temperature dependence in the range of 25-250 oC revealed that TNT samples have two transport regimes: for T < 150 oC, a regime whereby protonic conduction is dominant, which is associated with physisorbed and/or structural water molecules; and for T >150 oC, a regime whereby thermally activated electronic conduction is dominant. The activation energy of the electronic transport varied with the previous thermal treatment of the samples, indicating that such treatment causes changes in defect structure of TNTs. In the second part, we show that copper nanoparticles supported by reduced GO (rGO) is an efficient catalyst system for the electrochemical reduction of CO2. We observed about 0;34 V of reduction in the overpotential, good electrochemical stability after several cycles of operation and high corrent density, about four times better as compared as simple copper catalyst. Furthermore, we demonstrate a route for chemical hydrogenation of GO. Raman spectroscopy of the produced material showed the appearance of two unusual peaks that suggest that the hydrogen atoms were incorporated into the structure of the GO being covalently bonded to carbon atoms in a configuration similar to trans-polyacetylene chains. === Nesta tese, investigamos as propriedades e aplicações de dois nanomateriais multifuncionais, nanotubos de titanatos (TNTs) e óxido de grafeno (GO). Assim, o corpo deste documento foi dividido em duas partes principais. Na primeira parte, os TNTs foram aplicados como sensor de hidrogênio e apresentaram ótima sensibilidade (50 - 5000 ppm) a baixa temperatura de operação (100 - 150 oC), que foi associada à modulação do transporte protônico na superfície dos TNTs. Além disso, as propriedades de transporte dos TNTs foram investigadas pela técnica de espectroscopia de impedância. O estudo da dependência da condutividade com a temperatura, na faixa de 25 a 250 oC, revelou dois regimes de condução: para T < 150 oC, um regime de condução protônico associado a moléculas de água adsorvidas e/ou estruturais; para T > 150 oC, um regime de condução eletrônico. A energia de ativação do transporte eletrônico variou de acordo com o tratamento térmico experimentado pelas amostras, indicando que o aquecimento promove mudanças na estrutura de defeitos dos TNTs. Na segunda parte, mostramos que nanopartículas de cobre suportadas em GO reduzido (rGO) atuam como um catalisador eficiente para redução eletroquímica de CO2. Observamos uma considerável redução do sobrepotencial eletroquímico, cerca de 0;34 V, e ótima estabilidade após vários ciclos, quando comparado com um simples catalizador de cobre. Finalmente, demonstramos uma rota química para hidrogenação do óxido de grafeno. A espectroscopia Raman do material produzido revelou o surgimento de dois picos não usuais, que não pertencem a um espectro Raman de GO ou de rGO comum. A análise de tais espectros indica que átomos de hidrogênio foram incorporados `a estrutura do rGO, sendo ligados covalentemente aos átomos de carbono de forma alternada como em uma cadeia do tipo trans-poliacetileno.