Funcionalização química de grafeno por plasma frio em pressão atmosférica com inserção controlada de enxofre

Abstract

O grafeno é um material versátil, sendo foco de várias pesquisas científicas e tecnológicas, como por exemplo: reforço estrutural em compósitos, semicondutores, em baterias e sensores químicos, entre outros. Esta versatilidade é devido às suas características únicas, como transporte rápido de carga, características mecânicas favoráveis e ajustabilidade das características químicas e eletrônicas. A inserção de diversos heteroátomos no grafeno, como nitrogênio, boro e enxofre, permite expandir o leque de possibilidades deste material, modificando a interação com solventes, abrindo o bandgap para formar semicondutores, e inserindo grupos funcionais que permitem novos usos, como adsorção de metais e grafting por click chemistry. Devido à relativa facilidade de modificação química, o grafeno é um substrato ideal para testar novos métodos de funcionalização. O plasma frio é um método de funcionalização química que possui como diferencial o baixo custo, facilidade de aplicação e resultados eficientes. Enquanto as aplicações de plasma frio tem sido estudadas para modificação de grafeno e outros materiais, estes métodos sofrem com problemas como a exposição desparelha da superfície do material, principalmente se for um pó. Existem poucos estudos sobre a modificação de materiais usando plasma frio na presença de uma fase aquosa. A fase líquida permite que as espécies reativas no plasma reajam com espécies em solução presentes na interface para modificar materiais sólidos, fazendo com que o material se disperse na solução à medida que é modificado. Neste trabalho, foi desenvolvida uma nova técnica de tratamento baseada na exposição do grafeno ao plasma frio, flutuando sob uma solução contendo como fonte de enxofre o tiocianato de potássio. O material modificado se dispersa com facilidade em água, possuindo estabilização eletrostática em uma ampla faixa de pH e capacidade de complexação de metais como o Ouro, resultado da inserção de grupos funcionais como tiol, tiofeno e ácido sulfônico. O grafeno modificado aderido à superfície de ouro para produzir um sensor eletroquímico de voltametria, permitindo a determinação simultânea de bisfenol-A e tetrahidroquinona em alimentos de maneira satisfatória devido aos grupos funcionais inseridos pelo plasma.

Abstract: Graphene is a versatile material, the focus of numerous scientific and technological research projects, such as structural reinforcement in composites, semiconductors, batteries, and chemical sensors, among others. This versatility is due to its unique characteristics, such as rapid charge transport, favorable mechanical properties, and adjustability of chemical and electronic properties. The insertion of various heteroatoms into graphene, such as nitrogen, boron, and sulfur, expands the range of possibilities for this material, modifying its interaction with solvents, opening the bandgap to form semiconductors, and inserting functional groups that allow for new uses, such as metal adsorption and click chemistry grafting. Due to the relative ease of chemical modification, graphene is an ideal substrate for testing new functionalization methods. Cold plasma is a chemical functionalization method that stands out for its low cost, ease of application, and efficient results. While cold plasma applications have been studied for the modification of graphene and other materials, these methods suffer from problems such as uneven exposure of the material surface, especially if it is a powder. There are few studies on the modification of materials using cold plasma in the presence of an aqueous phase. The liquid phase allows the reactive species in the plasma to react with species in solution present at the interface to modify solid materials, causing the material to disperse in the solution as it is modified. In this work, a new treatment technique was developed based on the exposure of graphene to cold plasma, floating under a solution containing potassium thiocyanate as a sulfur source. The modified material disperses easily in water, possessing electrostatic stabilization over a wide pH range and the ability to complex metals such as gold, resulting from the insertion of functional groups such as thiol, thiophene, and sulfonic acid. Modified graphene adhered to a gold surface to produce an electrochemical voltammetry sensor, allowing for the simultaneous and satisfactory determination of bisphenol-A and tetrahydroquinone in foods due to the functional groups inserted by the plasma.