Produção de nanotubos de carbono hidrofílicos a partir de negro de carbono tratado por plasma frio em meio líquido

Abstract

O principal objetivo deste trabalho foi estudar a produção de nanotubos de carbono (CNT) por plasma frio em meio líquido. O material de partida foi produzido pela degradação de metano por plasma térmico obtendo o negro de carbono (CB) e hidrogênio. Neste processo, à eficiência de degradação, rendimento de hidrogênio e identificação dos subprodutos formados também foram avaliados. Na sequência, foram apresentados detalhes sobre o método de produção de CNTS por plasma frio e o resultado de análises químicas que comprovam que um novo método de produção foi desenvolvido. Após, foi apresentado um estudo sobre as modificações químicas e estruturais que ocorreram no CB durante o tratamento por plasma frio e, consequente, a produção de CNT. Para isso, foram apresentados resultados de análises químicas comparando as estruturas do CB e do CNT. As reações químicas envolvidas no processo foram expostas e possíveis mecanismos de formação e crescimento de CNTs foram propostos, assim como modelos que descrevem como ocorreu a produção de CNTs a partir do tratamento de CB por plasma frio. Os resultados de degradação de metano mostraram que o método é eficiente para a produção de CB, chegando a uma porcentagem de degradação de 98,8% e uma seletividade para hidrogênio de 40,3% para hidrogênio. Os resultados também indicaram que um novo método de produção para CNTs foi desenvolvido e que o produto formado é composto por uma mistura de MWCNTs, SWCNTs e vestígios de CB. Análises como microscopias, energia dispersiva de raios-X, Espectroscopia Raman e difração de raios-X confirmaram a produção de CNTs. O rendimento de CNTs produzidos por plasma frio foi estimado por termogravimetria, que indicou um rendimento entre 50-60%. Resultados de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X, CHN, fisissorção e quimissorção indicaram que mudanças significativas ocorreram na superfície e na estrutura da amostra durante o tratamento por plasma frio. Os resultados das análises químicas e a identificação das espécies presentes no meio reacional possibilitaram que mecanismos de formação e crescimento de CNTs fossem sugeridos, assim como modelos que descrevem o que ocorreu durante o método de produção. As possíveis reações químicas envolvidas também foram descritas.<br>

Abstract : The main objective of this study was to detail the production of carbon nanotubes (CNT) by cold plasma, but other issues were also addressed. Initially, a study on the degradation of thermal plasma methane to produce carbon black (CB) and hydrogen was shown, as well as some additional results regarding the degradation efficiency, yield hydrogen and identification of the formed products. Further, there are details about the method of production of CNTS by cold plasma and the results of chemical analysis showing that a new production method was developed. In the sequence there s a study of the chemical and structural changes that occurred in the CB during treatment by cold plasma and, consequently, the production of CNT, through results of chemical analyzes that compared the structures of the CNTs and CB. The chemical reactions involved in the process were exposed and possible mechanisms of formation and growth of CNTs have been proposed, as well as models that describe the production of CNTs from CB treatment by cold plasma. The results of methane degradation showed that the method is efficient for the production of CB, reaching a percentage of degradation of 98.8% and a selectivity of 40.3% for hydrogen to hydrogen. The results also indicated that a new method for production of CNTs has been developed and the product formed comprises a mixture of MWCNTs, SWCNTs and traces of CB. Analyses such as microscopy, energy dispersive X-ray, Raman spectroscopy and X-ray diffraction confirmed the production of CNTs. The yield of CNTs produced by cold plasma was estimated by thermogravimetry, which indicated a yield of 50-60%. Results from excited photoelectron spectroscopy by CHN, chemisorption and physisorption X-ray indicated that significant changes occurred on the surface and structure of the sample during treatment by cold plasma. The results of chemical analyzes and the identification of the species present in the reaction medium enabled that the formation and growth mechanisms of CNTs could be suggested, as well as models that describe what happened during the production method. Possible chemical reactions involved are also described.