p Eles são minúsculos e são esféricos, partículas em forma de folha ou fibrosas. E consistem principalmente no elemento químico carbono. A conversa aqui é sobre nanoestruturas de carbono incomuns que os cientistas do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces em Potsdam-Golm estão produzindo com um novo método. Os pesquisadores já mostraram que suas nanoestruturas possuem propriedades catalíticas úteis:por exemplo, eles podem reduzir a energia necessária para quebrar a água por eletrólise. Esta é uma propriedade útil para armazenar energia renovável. E porque tais nanopartículas contêm grande porosidade, os cientistas acreditam que eles também poderiam ser usados ​​para armazenar gases, como o dióxido de carbono e em outras aplicações. p Se você deixar uma pizza no forno por muito tempo, a massa fica preta. Durante o processo de carbonização, os constituintes orgânicos da massa são convertidos em espécies com alto teor de carbono. Embora o efeito seja indesejável na cozinha, na verdade, é o objetivo principal de alguns processos industriais. Um exemplo de carbonização é a conversão de carvão em coque para aumentar o teor de carbono. Fuligem industriais, como os usados ​​como pigmentos em pneus de automóveis, também têm alto teor de carbono graças à combustão incompleta controlada.

p Há alguns anos, os cientistas trabalham na síntese controlada de nanomateriais ricos em carbono. Como essas partículas são altamente porosas, têm uma grande superfície específica e, em alguns casos, também são bons condutores elétricos, eles têm muitas aplicações potenciais. Usando técnicas comuns, partículas tipicamente esféricas são obtidas. Com a ajuda de um novo método, pesquisadores do Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces em Potsdam-Golm agora conseguiram produzir não apenas nanoestruturas esféricas, mas também em forma de folha e fibrosas.

p As substâncias iniciais determinam a estrutura das partículas

p Os pesquisadores começaram com um total de dez solventes orgânicos diferentes, cada um deles então carbonizado. "Descobrimos que podemos controlar a estrutura espacial das partículas resultantes, selecionando substâncias iniciais adequadas, "diz Tim Fellinger, que lidera o Carbon and Energy Group no Max Planck Institute, com sede em Potsdam.

p Seu grupo não só produziu uma variedade de nanoestruturas de carbono, eles também encontraram maneiras de introduzir seletivamente outros elementos além do carbono nos produtos. Por exemplo, solventes contendo nitrogênio ou enxofre, tais como piridina e dimetilsulfóxido, resultam em nanoestruturas contendo até 15 por cento de nitrogênio ou enxofre em peso. Ao introduzir aditivos adequados, os pesquisadores foram até mesmo capazes de incorporar metais como o níquel, cobalto e zinco para a produção de nanocompósitos.

p Compósitos de níquel-carbono como catalisadores para hidrólise

p Os experimentos iniciais com os produtos nanoestruturados descobriram muitas propriedades úteis. Como o Fellinger's Group também está explorando soluções de armazenamento de energia, eles estão investigando o uso catalítico de nanocarbonos na hidrólise eletroquímica da água. Neste aplicativo, Os nanocompósitos de níquel-carbono, em particular, provaram ser tão eficientes quanto os catalisadores convencionais. "Mas eles provavelmente seriam mais econômicos de produzir do que os catalisadores à base de irídio comumente usados ​​hoje, "diz Fellinger. A hidrólise pode ser usada, por exemplo, para armazenar o excesso de energia elétrica na forma de hidrogênio por breves períodos. "Com catalisadores econômicos, a produção descentralizada de hidrogênio sob demanda também é concebível, "Fellinger acrescenta. Os riscos acarretados com o transporte do gás seriam então uma coisa do passado.

p Os cientistas ficaram impressionados com a porosidade de suas nanoestruturas e como as partículas de carbono absorvem gases. Alguns produtos até adsorvem melhor os gases do que o carvão ativado comercial, que foi otimizado para esse fim. Tim Fellinger acha isso notável:ao contrário do carvão ativo, nenhuma medida é tomada durante o processo de carbonização para aumentar a capacidade de adsorção. Fellinger acredita que isso abre uma grande variedade de aplicações potenciais. Por exemplo, as novas partículas podem ser úteis no desenvolvimento de baterias de próxima geração, por exemplo. baterias de lítio-enxofre ou lítio-ar.

p Uma nova via de síntese produz variedade estrutural

p Duas abordagens foram fundamentais para alcançar a variedade estrutural e propriedades úteis das nanoestruturas, ambos eram territórios inexplorados. Primeiro, os pesquisadores realizaram a carbonização instantânea em alta temperatura no estado líquido. Eles usaram um meio de reação incomum de fusão de sal a mais de 500 graus, por exemplo, cloreto de zinco líquido. Segundo, eles carbonizaram substâncias de partida líquidas. Anteriormente, sólidos foram principalmente carbonizados, porque as altas temperaturas exigidas fariam com que os líquidos orgânicos evaporassem. Para este fim, os pesquisadores simplesmente injetam solventes baratos disponíveis no sal líquido.

p "Evidentemente, as moléculas líquidas se dissociam ao entrar em contato com o fundido, mesmo antes que eles possam evaporar, "Tim Fellinger explica." Os produtos dissociados, então, presumivelmente se combinam para formar moléculas maiores ricas em carbono dentro de alguns nanossegundos. "O cloreto de zinco derretido parece estabilizar esse processo. os químicos cunharam o termo síntese ionotérmica para descrever as sínteses em tais ambientes. Esses processos já se mostraram úteis na química inorgânica. Os pesquisadores do Max Planck em Potsdam o estão explorando como um método de carbonização.

p Após a reação, eles simplesmente adicionam ácido clorídrico diluído à mistura resfriada. Enquanto o sal da mistura é dissolvido pelo ácido, os nanocarbonos - na forma de um preto, pó fofo - permanece para trás e é facilmente filtrado. A microscopia eletrônica de varredura é usada para mostrar as várias nanoestruturas dos produtos obtidos. Por exemplo, acetonitrila, benzonitrila e dimetilsulfóxido deram origem a produtos esféricos, como encontrado em fuligem industriais convencionais. Contudo, gotejar etilenoglicol ou glicerol no fundido de sal produz partículas semelhantes a folhas. Outros líquidos, como etanol, acetona e piridina resultam em ramificação, produtos fibrosos interconectados. As partículas esféricas de carbono têm dez nanômetros de diâmetro, enquanto as estruturas semelhantes a fibras têm até 120 nanômetros de comprimento.

p O derretimento do sal age como lubrificantes e detergentes

p Embora os mecanismos precisos ainda sejam uma questão de especulação, Tim Fellinger acredita que o novo espectro de estruturas de partículas é totalmente plausível:"Suspeitamos que o sal derretido atua como uma espécie de lubrificante, aumentando a mobilidade dos fragmentos orgânicos. "Essa mobilidade, por sua vez, leva a mais maneiras nas quais os blocos de construção podem ser organizados, ele explica. A velocidade em que isso ocorre pode diferir de um solvente para o próximo, e esta é uma das razões para a variedade de estruturas. O químico e especialista em nanoestrutura também acredita que outro fator está em ação:"O sal reduz a tensão superficial." Isso significa que os fragmentos de carbono não precisam mais assumir uma forma esférica para minimizar sua área de superfície - assim como a água não forma mais gotas nas superfícies após a adição do detergente.

p Os pesquisadores também acreditam que os íons de sal são responsáveis ​​pela impressionante porosidade de seus nanocarbonos:por causa da baixa tensão superficial, o sal e o carbono têm grandes superfícies de contato durante a síntese. "Depois que o sal é separado, numerosos poros permanecem, "Fellinger explica.

p Os pesquisadores têm uma grande variedade de novas ideias para explorar. Dado o grande número de sais inorgânicos e solventes orgânicos que podem ser combinados com a nova técnica, é provável que haja muito mais variantes compostas personalizadas com aplicativos úteis. Os pesquisadores agora planejam fazer experiências com outras combinações de sal-solvente. Eles também planejam investigar mais de perto se as folhas e fibras de carbono que descobriram têm vantagens sobre as estruturas esféricas em aplicações específicas. "Em todo o caso, agora temos uma nova ferramenta de carbonização versátil na forma de injeção a quente de solventes prontamente disponíveis combinados com síntese ionotérmica, "diz Tim Fellinger.