A qualidade do grafeno produzido ao redor do mundo.

O que é a pesquisa?

   O grafeno foi o primeiro nanomaterial bidimensional (2d) a ser isolado em laboratório. Segundo a Organização Internacional para Padronização (ISO) o grafeno é um material constituído de uma camada única monocristalina de átomos de carbono organizados em uma estrutura hexagonal  (Figura 1). Em uma linguagem mais simples podemos dizer que o grafeno é uma folha de carbono plana, altamente fina e resistente.

 

Devido a suas excelentes propriedades estruturais, físicas e químicas, o interesse em explorá-lo em diversas áreas da indústria tem crescido exponencialmente nos últimos anos. Assim como o diamante e o carvão, o grafeno é uma das formas cristalizadas do carbono. Na química e na física essa característica dá-se o nome de alotropia (Figura 2).

diferentes formas do carbono

Figura 2 – Representação esquemática das diferentes formas  do carbono (alotropia).

A avaliação da qualidade do grafeno produzido é de extrema importância, pois quando o grafeno é de baixa qualidade isso pode prejudicar o desenvolvimento tecnologico e industrial. A qualidade do grafeno também pode variar de acordo com as minas de grafite, pois estas possuem diferentes morfologias e podem conter diferentes impurezas (metais pesados) dependendo do seu ambiente geológico. Assim, a presente pesquisa teve como objetivo avaliar a qualidade do grafeno proveniente de 60 diferentes produtores.

Como é produzido o grafeno?

A produção do grafeno é feita a partir do grafite, podendo ser utilizados diferentes métodos. O método original utilizado é conhecido como esfoliação mecânica com fita adesiva. Esse método tem sido utilizado com sucesso para a obtenção de material de alta qualidade para estudos científicos, porém não é possível usar essa técnica para produzir grafeno em grandes quantidades para atender a demanda industrial.

deposição química em fase de vapor (CVD) é outro método de extração que utiliza um gás hidrocarboneto4 para produzir filmes policristalinos (pequenos cristais ligados uns aos outros por defeitos estruturais) de grafeno. A desvantagem é que esse filme contem defeitos que comprometem a estabilidade estrutural e prejudicam suas propriedades físicas.

Há também o método de oxidação5 que gera dois tipos de materiais que são “primos” do grafeno: o óxido de grafeno (GO) e o grafeno oxidado-reduzido (rGO). Essa técnica sim pode ser utilizada para produção de GO e rGO  em grande quantidade. Porém, o GO e o rGO não possuem forma cristalina  (amorfo) e desempenha um papel elétrico e térmico insatisfatório quando comparado ao cristal de grafeno.

Já a esfoliação química em fase líquida  (LPE) é uma técnica utilizada para a produção de grafeno em larga escala. Nesse caso os cristais de grafeno ficam preservados. Para demonstrar com clareza os processos de extração do grafeno, é feita a comparação da esfoliação química em fase líquida com outro processo mais conhecido para obtenção de derivados do petróleo, como mostra a figura 3.

represenação LPE

Figura 3. A: (LPE) do grafite para a obtenção do grafeno; B: processo de obtenção de subprodutos do petróleo.

Em um tubo de destilação de uma refinaria, o produtos mais leves, como hidrocarbonetos, nafta, gasolina e querosene, flutuam para o topo da coluna de destilação, enquanto que os mais pesados, como gasóleo pesado e alcatrão descem para o fundo do tubo. No reator químico do LPE acontece algo bem parecido. Os produtos mais pesados, como o grafite (que tem  um numero gigantesco de camadas moleculares), tendem a ficar no do fundo do reator, enquanto o grafeno (1 camada molecular) tende a flutuar para o topo do reator. É possível repetir esse processo várias vezes até adquirir maiores concentrações de substâncias com a monocamada, ou seja, de grafeno, o que, contudo pode aumentar a produção de gases e a necessidade de tratar esses resíduos, tornando o processo mais caro.

Como é feita a pesquisa?

   Para avaliar a qualidade do grafeno produzido ao redor do mundo, analisou-se diversas amostras. As amostras de grafeno analisadas foram provenientes de 60 empresas produtoras existentes nas Américas, Ásia e Europa. O processo de análise das amostras foi realizado basicamente em três etapas, a saber:

Etapa 1: Identificação da natureza de cada amostra, usando instrumentos de espectroscopia Raman ( materiais obtidos por processo de oxidação GO e rGO foram descartados da análise).

Etapa 2: Preparo das amostras: foi feita a diluição de cada uma das amostras de grafeno em meio líquido. A solução com grafeno obtida foi espalhada sobre uma superfície de óxido de silício (com 300 nm de espessura) e colocada p ara secar.

Etapa 3: Avaliação final das amostras, por meio das seguintes técnicas de caracterização: (i) análise elementar (verificar a proporção dos elementos Carbono, Nitrogênio e Hidrogênio em cada amostra); (ii) microscopia ótica, microscopia eletrônica de transmissão (MET) e varredura (MEV); e (iii) espectroscopia fotoeletrônica por Raios X, espectroscopia Raman e microscopia de força atômica (MFA).

Qual a importância da pesquisa?

   Por meio de técnicas de caracterização foi possível identificar com precisão as amostras de grafeno com péssima qualidade entre as amostras avaliadas. Boa parte dos “pós-pretos” vendidos por altos valores como sendo grafeno com  são na verdade apenas grafite. Isso é alarmante, visto que um grafeno de má qualidade pode comprometer a reputação do setor e impactar negativamente o desenvolvimento de tecnologias com o grafeno.

A qualidade do grafeno extraído pode comprometer suas possíveis aplicações em diversos setores da indústria. Por exemplo, o melhor desempenho em aplicações de materiais compostos seria alcançado com flocos grandes de grafeno que tenham a espessura de duas a três monocamadas. No caso de eletrodos para aplicações neurológicas, por sua vez, o ideal é utilizar flocos de grafeno monocamada. Sem que se saiba as características do grafeno empregado, seu uso pode não obter os resultados desejados.

Portanto, cada tipo de aplicação exige o ajuste fino das propriedades do material de grafeno em termos de sua espessura e tamanho e funcionalidade. Por esse motivo, a rotulagem e a caracterização (certificação) do grafeno comercializado são necessárias para que o usuário do produto possa escolher adequadamente o material que deseja utilizar..

O estudo concluiu que a qualidade do grafeno encontrada hoje no mercado não atende a necessidade da maioria de suas aplicações. É necessário, portanto, que haja padrões rigorosos para a caracterização/certificação do grafeno produzido, levando em consideração suas propriedades físicas requeridas para sua aplicação específica. Esse é o caminho para se criar um mercado mundial saudável e confiável de grafeno.

Pesquisador(es) Responsável(eis)

Alan P. Kauling, Andressa T. Seefeldt, Diego P. Pisoni, Roshini C. Pradeep, Ricardo Bentini, Ricardo V. B. Oliveira, Konstantin S. Novoselov, e Antonio H. Castro Neto*

*Autor correspondente

Instituição(ões)

Universidade Nacional de Singapura

Fonte(s) Financiadora(s)

National Research Foundation of Singapore

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