Preparação, caracterização e aplicação de nanofolhas de nitreto de boro hexagonal

• Autor(a) principal: Sara Machado Queiroz
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/37346
• topic: Preparação de h-BNNS; Funcionalização; Esfoliação mecanoquímica; Esfoliação química; H-BN-OH – Nitreto de Boro hexagonal funcionalizado com grupos hidroxila; Híbrido GO/h-BNNS; Estabilidade de dispersão; Físico-química; Nitreto de boro; Nanotecnologia; Estabilidade – Dispersão; Grafeno

Materiais bidimensionais tornaram-se um tópico de grande interesse nos últimos anos em função de suas propriedades promissoras e de suas possibilidades de aplicação. Desde a primeira vez que grafeno foi isolado, cada vez mais materiais bidimensionais chegam à comunidade científica como objeto de pesquisa. Dentre os materiais bidimensionais que tem recebido grande destaque entre a comunidade científica estão as nanofolhas de Nitreto de Boro hexagonal (h-BNNS). O Nitreto de Boro hexagonal (h-BN) é um composto com átomos de Nitrogênio (N) e Boro (B) ligados, intercaladamente, em um arranjo hexagonal no plano basal. Os átomos de B e N são alternadamente empilhados diretamente sobre os outros nas camadas atômicas adjacentes. h-BN é quase transparente, com importantes propriedades ópticas, isolante elétrico, termicamente e quimicamente estável, além de apresentar uma boa resistência à oxidação em altas temperaturas (até ~800°C). De acordo com a rota escolhida, o h-BN pode ser obtido no formato de nanofolhas, nanotubos, nanofitas entre outros. Em especial, as h-BNNS apresentam propriedades mecânicas e térmicas semelhantes ao seu isoeletrônico, o grafeno. No entanto, as ligações entre B e N assumem um caráter parcialmente iônico em toda folha pela sua eletronegatividade diferente, resultando em propriedades específicas das h-BNNS. Por possuírem propriedades complementares ao Óxido de Grafeno (GO), tais como serem isolantes elétricas e terem estabilidade térmica e química, principalmente em ambientes oxidantes, h-BNNS podem ser utilizadas para formar híbridos com o GO com condutividade elétrica controlável e maior resistência à degradação em altas temperaturas, abrindo as suas possibilidades de aplicação. Uma outra possibilidade é a funcionalização ou passivação das h-BNNS por diferentes espécies químicas. Dentre os grupos utilizados para funcionalizar o h-BN, a hidroxila desperta grande interesse por conferir ao material propriedades tais como grande estabilidade, boa dispersibilidade em água e outros solventes orgânicos, facilitando sua incorporação em matrizes e resultando em boas perspectivas de aplicação. Além disso, espera-se que a introdução desses grupos funcionais seja suficiente para superar as forças de van der Waals e as interações entre as camadas adjacentes de h-BN, resultando na sua esfoliação. No presente trabalho, foi preparado h-BN funcionalizado (h-BN-OH) e esfoliado (h-BNNS-OH) por métodos já reportados na literatura e por diferentes associações destes. Três métodos de funcionalização foram utilizados para se obter o h-BN-OH: a) refluxo por 24hs em NaOH(aq), b) aquecimento em autoclave em NaOH(aq) por 2 hs a 180°C, variando-se a proporção h-BN x NaOH, c) moagem de bolas em NaOH(aq), variando-se o tempo de moagem, o número e o tamanho das esferas e d) combinação dos métodos b e c. Após obtenção do h-BN-OH pelos métodos descritos, o material com melhor resultado de estabilidade coloidal foi esfoliado. A esfoliação do h-BN-OH foi realizada por métodos mecanoquímicos (top-down), a saber: a) esfoliação líquida em IPA(aq) a 25% V V-1 por sonicação, b) moagem de bolas de alta energia adaptada em meio básico (NaOH(aq) a 2 mol L-1) e c) combinação desses métodos, com o objetivo de promover uma dispersão mais estável das h-BNNS-OH em IPA(aq). A rota otimizada de obtenção das h-BNNS-OH foi, então, determinada. Para tanto, o material obtido foi caracterizado quanto à qualidade, morfologia e topografia das folhas, estabilidade das dispersões, grau de funcionalização e características químicas e estruturais. Como resultado, foram obtidas nanofolhas com aproximadamente 10 a 30 nm de espessura e com grau de funcionalização menor que 1%. As dispersões em IPA(aq) mostraram grande estabilidade macroscópica e excelente comportamento coloidal ao longo do tempo. Foi obtido h-BNNS entre 25 e 34 camadas, com rendimento de 36,7%, um bom balanço entre requerimentos técnicos por meio de um processo prático. Utilizando-se a melhor amostra das h-BNNS obtidas, foram preparados híbridos com GO por processos dois processos diferentes e os materiais foram avaliados quanto à estabilidade térmica e morfologia. Um ganho de temperatura de máxima taxa de degradação de 35°C em relação ao GO foi observado.