Desenvolvimento de nanocompósitos entre derivados de grafeno/nanotubos de carbono e polímeros condutores : funcionalização direcionada

Abstract

Resumo: Nanocompósitos (NCs) se beneficiam do sinergismo entre os seus componentes, destacando-se os nanomateriais de carbono e polímeros condutores, cuja combinação das suas propriedades elétricas e mecânicas pode potencializar suas aplicações. Nesse sentido, um dos desafios é obter NCs por interações covalentes, o que pode garantir propriedades otimizadas. Neste trabalho foram obtidos diversos NCs derivados de grafeno ou nanotubos de carbono (NTC) com o polímero condutor polipirrol (Ppy), ligados covalentemente. Os NCs de óxido de grafeno (GO) ou óxido de grafeno reduzido (rGO) e Ppy foram obtidos na forma de pó e de filmes finos. A funcionalização ocorreu com um derivado de pirrol em que a funcionalização direcionada foi projetada com a formação de uma ligação amida, utilizando condições de reação com temperaturas brandas e solvente aquoso. Após a funcionalização os materiais foram polimerizados, formando os NCs poliméricos. Em relação aos NCs de NTC e Ppy, estes foram obtidos na forma de pó. Neste caso, a funcionalização ocorreu com derivados de pirrol e tiofeno em que a funcionalização foi projetada com a formação de ligações covalentes diretamente na estrutura de carbono. A reação foi realizada a temperaturas brandas e atmosfera inerte utilizando sais de NTC. O NTC funcionalizado com derivado pirrol foi então polimerizado formando o NC final. A funcionalização e polimerização dos NCs de NTC e GO/rGO foram confirmadas por espectroscopia no infravermelho, difração de raios X, espectroscopia Raman, analises termogravimétricas, microscopia eletrônica de varredura, espetroscopia de fotoelétrons excitados por raios X e voltametria cíclica. Para fins comparativos também foram sintetizados NCs não-covalentes. Diferenças significativas em relação à morfologia dos NCs covalentes e nãocovalentes foram identificadas: para os NCs covalentes ocorre uma distribuição homogênea do Ppy sobre a superfície do material de carbono, devido à presença dos monômeros ancorados, direcionando o crescimento do polímero. No NC tipo rGO/Ppy ligado covalentemente, a estabilidade eletroquímica após 300 ciclos voltamétricos é maior, quando comparado aos NCs não-covalentes e ao Ppy puro, demonstrando a potencialidade de aplicação em dispositivos eletroquímicos tais como supercapacitores, sensores de gás e músculos artificiais. Palavras-chave: Funcionalização. Polipirrol. Óxido de grafeno. Nanotubos de carbono.

Abstract: Nanocomposites (NCs) benefit from the synergism between their components, especially carbon nanomaterials and conductive polymers, whose combination of their electrical and mechanical properties can enhance their applications. In this context, one of the challenges is to obtain NCs through covalent interactions, which can guarantee optimized properties. In this thesis several NCs derived from graphene or carbon nanotubes (NTC) with polypyrrole conductive polymer (Ppy), covalently linked. Graphene oxide (GO) or reduced graphene oxide (rGO) and Ppy NCs were obtained as powders and thin films. Functionalization occurred with a pyrrole derivative which the targeted functionalization was designed with the formation of an amide bond, using reaction conditions under mild temperatures and aqueous solvent. After functionalization the materials were polymerized, forming the polymeric NCs. In relation to the NCs of NTC and Ppy, these were obtained as powder. In this case, the functionalization occurred with pyrrole and thiophene derivatives, which the functionalization was designed with the formation of covalent bonds directly in the carbon nanostructure. The reaction was carried out under mild temperatures and inert atmosphere using NTC salts. The NTC functionalized with pyrrole derivative was then polymerized to form the final NC. The functionalization and polymerization of the NCs of NTC and GO/rGO were confirmed by infrared spectroscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and cyclic voltammetry. For comparison purposes, non-covalent NCs were also synthesized. Significant differences in the morphology of covalent and non-covalent NCs were identified: for the covalent NCs a homogeneous distribution of Ppy on the surface of the carbon material occurs due to the presence of the anchored monomers, directing the growth of the polymer. In the NC type rGO/Ppy covalently bonded, electrochemical stability after 300 voltammetric cycles is higher when compared to non-covalent NCs and pure Ppy, demonstrating the potential of application in electrochemical devices such as supercapacitors, gas sensors and artificial muscles. Keywords: Functionalization. Polypyrrole. Graphene oxide. Carbon nanotubes.