Cálcio como catalisador inovador e eficaz para a síntese de grafeno

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21492 (2022) Citar este artigo

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A pirólise da biomassa lignocelulósica (carbono duro) produz biocarvão pouco grafítico. Neste estudo, biochars nanoestruturados foram produzidos a partir de celulose microcristalina utilizando cálcio como catalisador não convencional. O cálcio é abundante, amigo do ambiente e amplamente acessível. A grafitização da celulose impregnada de cálcio foi realizada a 1800 °C, temperatura inferior a 2000 °C onde normalmente ocorre a grafitização. XRD, espectroscopia Raman, TEM de alta resolução juntamente com a ferramenta numérica desenvolvida internamente permitem a quantificação das franjas de grafeno nos biochars. O biocarvão de celulose não impregnado era composto por franjas de grafeno curtas e mal empilhadas. A impregnação com 2% em peso de cálcio levou à conversão da estrutura inicial em uma estrutura semelhante ao grafeno bem organizada e menos defeituosa. As estruturas semelhantes ao grafeno obtidas foram compostas por dezenas de franjas de grafeno empilhadas com tamanho de cristalito de até 20 nm e espaçamento médio entre camadas igual a 0,345 nm, próximo ao valor de referência da grafite hexagonal padrão (0,3354 nm). O aumento da concentração de cálcio não melhorou significativamente os tamanhos dos cristalitos dos materiais semelhantes ao grafeno, mas melhorou drasticamente a sua taxa. Nossos resultados propõem um mecanismo e fornecem novos insights sobre a síntese de materiais semelhantes ao grafeno a partir de bio-matérias-primas utilizando cálcio, onde a literatura está focada em metais de transição como ferro e níquel, entre outros. A diminuição da temperatura de grafitização abaixo de 2.000 °C deverá reduzir o custo de produção, bem como o impacto ambiental da síntese térmica de materiais semelhantes ao grafeno utilizando biomassa. Esta descoberta deve estimular novas pesquisas na área e ampliar as perspectivas de aplicação.

O grafeno é um material de carbono bidimensional com uma camada atômica como espessura1. As folhas de grafeno são precursoras de nanotubos de carbono, fulereno, fibras de carbono, negro de fumo ou grafite2,3,4. Dependendo das características como o comprimento e a orientação das folhas de grafeno, diversas propriedades poderão ser desenvolvidas entre as quais a condutividade elétrica, a resistência mecânica ou térmica . Portanto, o grafeno é considerado um material de alto desempenho, promissor para uma ampla gama de aplicações como baterias, armazenamento de energia, eletrônica e biologia4,7,8,9,10,11.

Hoje em dia, o grafeno pode ser produzido a partir de matérias-primas fósseis por processos de cima para baixo ou de baixo para cima3,12,13,14,15,16. Os processos de cima para baixo incluem esfoliação mecânica ou química da grafite extraída para isolar as folhas de grafeno. Os processos bottom-up envolvem a síntese de grafeno a partir de precursores gasosos de hidrocarbonetos. As vantagens e desvantagens de cada processo já foram discutidas anteriormente na literatura17,18. Quase todos os processos utilizam fontes de carbono fósseis e exigem muita energia. Gerenciar a produção em escala industrial e mais ecológica de grafeno homogêneo e livre de defeitos é um dos principais desafios para prever um maior uso comercial do grafeno. A produção de materiais semelhantes ao grafeno a partir de recursos biológicos (biomassa, resíduos biológicos…) abriria caminhos para novos materiais com propriedades excepcionais. Esta abordagem, em oposição às técnicas padrão de fabricação de grafeno que utilizam produtos químicos e vários solventes, reduziria o impacto ambiental da síntese de materiais semelhantes ao grafeno.

A celulose é um recurso renovável e o polímero orgânico mais abundante na Terra. A celulose é usada em todo o mundo para a produção de papel e é amplamente acessível a um custo barato. Sua estrutura também é relativamente homogênea entre a biomassa lignocelulósica, em comparação com a lignina ou a hemicelulose. A principal abordagem para a síntese de materiais semelhantes ao grafeno a partir de biomassa é a pirólise para gerar biochars semelhantes ao grafeno. A celulose é composta por uma longa cadeia de moléculas de D-glicose, contendo exclusivamente carbonos sp3. Durante a pirólise da celulose, os carbonos sp3 seguem múltiplos e complexos rearranjos químicos para serem convertidos em carbonos sp2 e formar anéis aromáticos . Por conta disso, a celulose não é um material favorável para grafitização.