Materiais de carbono de baixa dimensão (LDCs), incluindo grafeno e nanotubos de carbono, têm atraído atenção considerável devido às suas morfologias únicas e propriedades elétricas intrigantes. No entanto, estes materiais são normalmente menos funcionalizados para aplicações eletroquímicas. Portanto, é crucial conceber uma rota de síntese ascendente para os LDCs que possa melhorar suas propriedades eletroquímicas e estabelecer uma relação estrutura-desempenho.



Atualmente, a maioria dos métodos ascendentes para a síntese de LDCs exigem precursores caros e procedimentos de síntese tediosos, impedindo assim gravemente as suas aplicações eletroquímicas.

Em um estudo recente publicado em Advanced Powder Materials , uma equipe de pesquisadores chineses propôs uma nova rota para a construção de nanoestruturas de carbono 1D/2D com proporções ajustáveis ​​e alto teor de nitrogênio (N), empregando uma única fonte inicial de pequena molécula-formamida.

Esta abordagem inovadora leva à formação de um polimerizado (HCN)x específico do tipo 1D, conhecido como poliaminoimidazol (PAI). As nanoestruturas de carbono baseadas em PAI cultivadas de maneira dimensional podem posteriormente sofrer carbonização para obter estruturas de carbono 1D ou 2D altamente dopadas com N.

"O método de síntese proposto neste estudo é altamente fácil de usar, tornando-o adequado para ampliação em ambientes laboratoriais e industriais", explica um dos autores do estudo, Guoxin Zhang, professor de síntese controlável de nanomateriais de carbono na Universidade de Shandong de Ciência e Tecnologia. “Os LDCs derivados da formamida exibem um teor de N extremamente alto, superior a 40 por cento atômico, conforme medido após serem submetidos ao tratamento solvotérmico”.

Notavelmente, mesmo após o recozimento em temperaturas tão altas quanto 900 °C, mais de 10 por cento atômico do conteúdo de N é retido. “Esta descoberta fascinante permite o projeto de uma ampla gama de funcionalidades eletroquímicas para aplicações em armazenamento de energia e catálise”, acrescentou Zhang.

A equipe também fez uma observação interessante a respeito da adição de melamina, um composto com três grupos amino que se estendem externamente, durante o tratamento solvotérmico da formamida. Ao introduzir a melamina como uma “semente”, tem a capacidade de transformar o padrão de crescimento 1D original da formamida numa estrutura 2D, levando à formação de finas camadas de materiais de carbono 2D.

O estudo elucida que o crescimento de materiais de carbono de baixa dimensão (LDCs) 1D e 2D segue um caminho específico:(1) desidratação de formamida em moléculas de HCN, (2) polimerização de HCN em tetrâmeros e subsequentes 12-meros (poliaminas) , (3) decianação dos 12-meros e, finalmente, (4) ciclização intramolecular.

A estrutura atômica precisa do produto LDCs pode ser resolvida usando tecnologia de difração de nêutrons, permitindo a determinação da função de distribuição de pares, conforme representado no gráfico, que corresponde à estrutura do poliaminoimidazol (PAI).

"Até agora, tem sido um desafio cultivar diretamente LDCs com um teor tão elevado de nitrogênio em temperaturas amenas. Nossas abordagens são pioneiras na síntese controlável de nanocarbonos usando pequenos blocos de construção moleculares", disse o principal autor do estudo, Zongge Li. "Esses materiais podem ser efetivamente empregados como eletrocatalisadores para a produção eficiente de energia de desinfetante de peróxido de hidrogênio."

Mais informações: Zongge Li et al, Crescimento de solução anisotrópica de carbono rico em N 1D/2D, Advanced Powder Materials (2023). DOI:10.1016/j.apmate.2023.100138
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