Materiais à base de hidróxidos duplos lamelares de cobalto e alumínio: intercalação, reatividade e formação de compósitos por pirólise

• Main Author: Macedo, Rafael dos Santos
• Other Authors: Constantino, Vera Regina Leopoldo
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2017
• Subjects: Cobalt; Cobalto; Compostos de intercalação; Hidróxidos duplos lamelares; Intercalation Compounds; Layered Double Hydroxides; Layered Materials; Materiais lamelares; Nanocarbonos; Nanocarbons
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46136/tde-21062017-113408/

O presente trabalho trata da preparação e caracterização de três tipos de materiais, todos envolvendo hidróxidos duplos lamelares (HDLs) contendo íons cobalto e alumínio na composição das lamelas. Primeiramente, avaliou-se a influência de parâmetros de síntese na obtenção de HDLs intercalados com os ânions inorgânicos carbonato, cloreto e nitrato. Segundo dados de espectroscopia eletrônica UV-VIS, ressonância paramagnética eletrônica (EPR) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), ocorre a oxidação parcial do Co2+ em Co3+ na lamela de HDL e, no caso do material contendo íon carbonato, observa-se a presença de radical carbonato, demonstrando a reatividade redox das matrizes com íons cobalto. A segunda parte do trabalho consistiu na intercalação do ânion derivado do ácido 2- aminotereftálico (ATA) em HDL. A presença do cátion cobalto nas lamelas e do grupo amino na espécie orgânica promoveu alterações significativas nas propriedades eletrônicas e térmicas do material (abreviado Co2Al-ATA). Assim como na primeira parte desta tese, as transformações ocorridas com o íon ATA devem incluir a formação inicial de um radical orgânico (de modo similar à polimerização da anilina), para o qual o agente oxidante é o íon Co3+ lamelar. Os dados de espectroscopia vibracional (no infravermelho e Raman) e de XPS mostram a presença de segmentos reduzidos (benzenóide) e oxidados (quinóides) na espécie intercalada. A solubilização do HDL em meio ácido permitiu isolar um material orgânico de cor preta que possui segmentos semiquinóides (radical orgânico) em sua estrutura, além dos reduzidos. A última etapa da presente tese consistiu em pirolisar o material Co2Al-ATA mencionado acima. Verificou-se que a alteração no procedimento de pirólise, como a temperatura, o desenho do forno, a forma do cadinho (cilíndrico ou barca), o tempo de resfriamento do sistema ou a atmosfera dinâmica ou estática, por exemplo, afetam as propriedades do produto final de decomposição. Nos compósitos obtidos, as fases inorgânicas provenientes da decomposição do HDL foram uma mistura de óxidos mistos de cobalto e alumínio (Co(CoxAl1-x)2O4), óxido de cobalto (CoO) e cobalto metálico. A fase de carbono apresentou perfil espectral de carbono grafítico nanocristalino e foi obtida em valores de temperatura de pirólise superiores a 800°C. Os compósitos contendo nanopartículas de cobalto metálico são ferromagnéticos. A reatividade redox dos HDLs de cobalto e as propriedades de seus produtos de decomposição apresentam potencial para aplicação em dispositivos eletroquímicos. === The present work reports the preparation and characterization of three types of materials, all involving layered double hydroxides (LDHs) containing cobalt and aluminum ions in the layer composition. First, the influence of synthetic parameters on the production of LDHs intercalated with the inorganic anions carbonate, chloride and nitrate was evaluated. According to UV-VIS electronic spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and x-ray photoelectron spectroscopic (XPS) data, the partial oxidation of Co2+ to Co3+ occurs in the LDH layer and, in the case of the material containing carbonate ion, the presence of carbonate radical species demonstrates the redox reactivity of the matrices with cobalt ions. The second part of the work comprised the intercalation of the anion derived from 2- aminoterephthalic acid (ATA) in to LDH. The presence of the cobalt cation in the layer and the amino group in the organic species promoted significant changes in the electronic and thermal properties of the material (abbreviated Co2Al-ATA). As in the first part of this thesis, transformations occurring with the ATA ion should include the initial formation of an organic radical (similar to aniline polymerization), for which the oxidizing agent is the Co3+ ion in the layer. The vibrational (infrared and Raman) spectroscopy and XPS data show the presence of reduced (benzenoid) and oxidized (quinoids) segments in the intercalated species. The solubilization of HDL in acid medium allowed the isolation of a black organic material that has semiquinoid (organic radical) segments in its structure besides the reduced one. The last stage of the present thesis consisted of pyrolysis of the Co2Al-ATA material mentioned above. It was observed that the change in pyrolysis procedure, such as temperature, furnace design, crucible shape (bark or cylinder), system cooling time or dynamic or static atmosphere, for example, affects the properties of the final product of decomposition. In the obtained composites, the inorganic phases from the HDL decomposition were a mixture of mixed oxides of cobalt and aluminum (Co(CoxAl1-x)2O4), cobalt oxide (CoO) and metallic cobalt. The carbon phase showed nanocrystalline graphite carbon spectral profile and was obtained at pyrolysis temperature values above 800 °C. The composites containing metallic cobalt nanoparticles are ferromagnetic. The redox reactivity of HDLs containing cobalt and the properties of their decomposition products present potential for application in electrochemical devices