Filmes finos de nanocompósitos grafeno/MoS2 estudados por microscopia de varredura por sonda

Abstract

Resumo: Neste trabalho, filmes finos de diferentes nanomateriais bidimensionais preparados a partir da rota interfacial líquido-líquido (LLIR) foram caracterizados por Microscopia de Varredura por Sonda (SPM) em diferentes modos de aquisição para identificar e estudar as possíveis interações entre os componentes. Este trabalho foi dividido em 2 seções: (i) na primeira parte, filmes puros ou de nanocompósitos de óxido de grafeno (GO), óxido de grafeno reduzido (rGO) e de dissulfeto de molibdênio (MoS2) foram caracterizados por SPM para a constatação das mudanças tanto topográficas (morfologia, espessura e rugosidade) quanto das propriedades mecânicas e elétricas oriundas das interações entre os componentes. Além de constatar a presença das grandes folhas de GO e rGO e dos pequenos flocos carregados de MoS2, também foi possível constatar a formação de filmes finos contínuos que apresentam modificações de suas propriedades devido aos grupos funcionais oxigenados, defeitos presentes nas estruturas, além do efeito de borda que é mais pronunciado nesse tipo de processamento de materiais. Na formação dos nanocompósitos, a incorporação do MoS2 levou a modificações na topografia e nas propriedades dos filmes de GO e rGO. O filme de GO/MoS2 apresentou grandes aglomerações de MoS2 ao longo das folhas de GO devido à interação fraca entre os dois nanomateriais, e isso resultou em um filme menos rígido do que o filme puro de GO, onde a dopagem foi menos efetiva. Por outro lado, o filme de rGO/MoS2 apresentou os flocos de MoS2 mais uniformemente distribuídos pelas folhas de rGO, indicando uma interação mais forte, na qual resultou em um aumento na rigidez quando comparado com o filme puro de rGO e uma dopagem muito mais efetiva; (ii) na segunda parte, foi realizada a síntese e caracterização inédita do nanocompósito de grafeno produzido quimicamente (GR) e de MoS2. Através de caracterização por diversas técnicas, foi possível constatar a formação de um filme contínuo composto por grafeno, MoS2, carbono amorfo e espécies de óxido de ferro, sendo que os flocos de MoS2 ficam por cima das folhas de grafeno, indicando uma forte interação entre essas duas componentes. Além disso, o óxido de ferro e o MoS2 afetaram significativamente a função trabalho do filme, devido à distribuição de carga dessas componentes ao longo do filme. Por consequência, o filme do nanocompósito apresentou um aumento em seu atrito, na sua deformação e na sua força de adesão, e uma diminuição na rigidez. Ademais, a acetonitrila, solvente do MoS2, interfere na qualidade estrutural do grafeno, e por consequência afeta a interação entre os componentes, o que é evidenciado nas caracterizações eletroquímicas. As amostras preparadas com acetonitrila apresentaram valores de capacitância volumétrica maiores (252 e 292 F cm-3 , respectivamente) do que a amostra padrão, demonstrando a viabilidade de uma aplicação futura desses materiais em dispositivos de armazenamento de energia. Estes resultados são um grande indicativo da potencialidade do SPM para a constatação das interações dos nanomateriais na forma de filmes finos, sendo possível a identificação dos melhores parâmetros para a formação dos filmes frente às propriedades desejadas e visando sua aplicabilidade

Abstract: In this work, thin films of different two-dimensional nanomaterials prepared from the liquid-liquid interfacial route (LLIR) were characterized by Scanning Probe Microscopy (SPM) in different acquisition modes to identify and study the possible interactions between the components. This work was divided into 2 sections: (i) in the first part, pure or nanocomposite films of graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO) and molybdenum disulfide (MoS2) were characterized by SPM to verify the changes in both topography (morphology, thickness and roughness) and mechanical and electrical properties arising from the interactions between the components. In addition to verifying the presence of large GO and rGO sheets and small flakes loaded with MoS2, it was also possible to verify the formation of continuous thin films that present modifications in their properties due to the oxygenated functional groups, defects present in the structures, in addition to the edge effect that is more pronounced in this type of material processing. In the formation of nanocomposites, the incorporation of MoS2 led to modifications in the topography and properties of the GO and rGO films. The GO/MoS2 film presented large agglomerations of MoS2 along the GO sheets due to the weak interaction between the two nanomaterials, and this resulted in a less rigid film than the pure GO film, where doping was less effective. On the other hand, the rGO/MoS2 film presented the MoS2 flakes more uniformly distributed throughout the rGO sheets, indicating a stronger interaction, which resulted in an increase in rigidity when compared to the pure rGO film and a much more effective doping; (ii) in the second part, the unprecedented synthesis and characterization of the chemically produced graphene (GR) and MoS2 nanocomposite was carried out. Through characterization using several techniques, it was possible to verify the formation of a continuous film composed of graphene, MoS2, amorphous carbon and iron oxide species, with the MoS2 flakes lying on top of the graphene sheets, indicating a strong interaction between these two components. In addition, the iron oxide and MoS2 significantly affected the work function of the film, due to the charge distribution of these components throughout the film. Consequently, the nanocomposite film showed an increase in its friction, deformation and adhesion strength, and a decrease in stiffness. Furthermore, acetonitrile, the solvent of MoS2, interferes with the structural quality of graphene, and consequently affects the interaction between the components, which is evidenced in the electrochemical characterizations. The samples prepared with acetonitrile showed higher volumetric capacitance values (252 and 292 F cm-3 , respectively) than the neat sample, demonstrating the viability of a future application of these materials in energy storage devices. These results are a great indication of the versatility of SPM for verifying the interactions of nanomaterials in the form of thin films, making it possible to identify the best parameters for film formation in view of the desired properties and aiming at their applicability