Síntese e caracterização de microesferas híbridas de carbono - níquel

Abstract

Neste trabalho foram produzidos materiais hibridos formados de microesferas de carbono com nanoparticulas de niquel metalico. Eles foram obtidos por quatro rotas distintas, aqui identificadas como H1, H2, H3 e H4. Previamente tambem foram produzidas esferas de carbono atraves da polimerizacao da glicose pelo metodo hidrotermico. Depois de varios testes, escolheram-se as condicoes: solucao aquosa 0,5 molar de glicose, temperatura de tratamento 190.C por tres horas. Com esses parametros foram obtidos de forma reprodutivel, esferas de carbono lisas e individuais, com morfologia perfeitamente esferica, diametro medio de 345 nm e desvio padrao de 53 nm (ou seja 15 % de dispersividade). Esta amostra, chamada de EC, serviu como referencia para a sintese dos hibridos H1 e H2 e como precursora para as rotas H3 e H4. Na rota H1 foi acrescentado um sal de niquel a solucao de glicose que foi entao processada tal como a amostra de referencia EC. O material se apresentou na forma de esferas lisas, um pouco agregadas, com diametros muito grandes, acima de 10 micrmetros e com alta dispersividade. A analise EDS indicou a presenca de niquel e a DRX mostrou que apos um tratamento termico em atmosfera de argonio e hidrogenio a 370.C/2h aparece o perfil JCPDS 00-004-0850 do niquel metalico nanometrico. O rendimento da amostra foi de 3,5 vezes maior que da amostra EC. Na rota H2 foram acrescentadas nanoparticulas de niquel metalico (recem preparadas) a solucao de glicose que foi entao processada tal como a amostra de referencia. Foram obtidas duas fases distintas, uma formada de esferas lisas, individuais e com diametros maiores que 3 micrmetros e outra fase formada de esferas agregadas e com diametros menores que 500 nanometros. A analise de EDS indicou a presenca de niquel em ambas as fases e a DRX mostra que apos o tratamento em atmosfera de argonio e hidrogenio a 370.C/2h, o niquel e metalico e nanometrico. Aqui o rendimento tambem foi cerca de 3,5 vezes maior que o da amostra EC. Para a rota H3 foram usadas as esferas de carbono, amostra EC, como precursoras; em uma dispersao destas, foi acrescentado um sal de niquel, que em seguida e convertido a hidroxido de niquel. Este sistema, apos sonicado e envelhecido (para provocar a quimisorcao do hidroxido de niquel nas esferas do material carbonaceo), e submetido a um redutor quimico. As analises mostram que se formam nanoparticulas de niquel, sejam dispersas sobre a superficie das esferas de carbono, sejam aglomeradas no espaco entre as esferas de carbono. Por fim, na rota H4 as esferas de carbono precursoras (amostra EC) foram parcialmente encharcadas com uma solucao de cloreto de niquel, que e evaporada logo apos. O processo chamado de #gincipient wetness method#h e repetido varias vezes. Formam-se nanocristais de cloreto de niquel nos nanoporos superficiais das esferas de carbono. Apos tratamento em argonio, as analises de MET mostram nanocristais de niquel individuais e bem dispersos sobre a superficie das esferas de carbono. Apresentamos tambem, alguns resultados de um tratamento termico em atmosfera redutora.

In this work we produced hybrid materials formed of carbon microspheres with metallic nickel nanoparticles. They were obtained by four different routes identified here by H1, H2, H3 and H4. Previously we also produced carbon spheres through the polymerization of glucose by the hidrothermal method. After various experiences, we choose the following conditions: aqueous solution of glucose 0,5 M, treatment temperature of 190.C for three hours. With these parameters we obtained in a reproductible way, smooth and individuals carbon spheres, with poerfect spherical morfology, mean diameters of 345 nm and standard deviation of 53 nm (what means 15 percent of dispersity). This sample, called EC, will be used as reference for the synthesis of the hybrids H1 and H2 and as precursor of the hybrids H3 and H4. In the route H1 we added a nickel salt to the solution of glucose that is processed as the sample of reference EC. The material is formed of smooth spheres little agregated, but surprisingly with very large diameters, above 10 micrometers and with high dispersity. The EDS analysis indicate the presence of nickel and the XRD show that after a thermal treatment in argon and hidrogen atmosphere at 370.C/2h apears a JCPDS profile 00-004-0850 of the metallic nanometric nickel. The final product yield was 3,5 times more than sample EC. In the H2 route we added metallic nickel nanoparticles (previously prepared) to the glucose solution that was processed as sample of reference EC. We obtained two different phases, one formed of smooth and individual spheres with diameters greater than 3 micrometers; the second phase formed by agregated spheres with diameters smaller than 500 nm. The EDS analysis indicated the presence of nickel in both phases and the XRD showed that after a thermal treatment in argon and hidrogen atmosphere at 370.C/2h, the nickel is metallic and nanometric. Here the yield also was about 3,5 times more than the sample EC. For the route H3 we used the carbon spheres, sample EC, as precursor; in a dispersion of this sample, we added a nickel salt, that is converted to nickel hidroxide. This system, after sonicated and aged (to make the chemisorption of the nickel hidroxide in the spheres of the carbonaceous material), was submited to a chemical reductor. The analysis showed that nickel nanoparticles was formed, being dispersed over the surface of the carbon spheres, or being aglomerated between the carbon spheres. At last, in the route H4 the precursor carbon spheres (sample EC) were partially wet with a nickel chloride solution, that is soon evaporated. The process is called incipient wetnessmethod, and was repeted many times. Nickel chloride nanocrystals was formed in the nanopores of the carbon spheres surface. After a treatment in argon, the TEM analysis showed that individual and well dispersed nickel nanocrystals was present over the surface of the carbon spheres. We also present some results of a interesting thermal treatment in a reductive atmosphere.