FREITAS, W. S. Síntese e caracterização de aerogéis anfifílicos à base de acrilamida e óleo de girassol destinados à remoção de petróleo. 2017. 162 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência de Materiais)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. / Submitted by Pós-Graduação Ciência de Materiais (materiais@metalmat.ufc.br) on 2017-09-01T12:24:04Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_wsfreitas.pdf: 39234851 bytes, checksum: 85c952731c35e1a65cc2665091259d58 (MD5) / Rejected by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br), reason: Prezada Williane, Algumas alterações precisam ser feitas para ficar de acordo com as normas da ABNT: 1. No Resumo e abstract retire a caixa alta das Palavras-chave e Keywords. Atenciosamente, Marlene Rocha on 2017-09-01T13:07:53Z (GMT) / Submitted by Pós-Graduação Ciência de Materiais (materiais@metalmat.ufc.br) on 2017-09-01T19:18:18Z No. of bitstreams: 1 2017_dis_wsfreitas.pdf: 39235300 bytes, checksum: 3ce2a2b4eddf9dd5f59b65cb4b4c83f4 (MD5) / Approved for entry into archive by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2017-09-05T12:55:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_dis_wsfreitas.pdf: 39235300 bytes, checksum: 3ce2a2b4eddf9dd5f59b65cb4b4c83f4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-05T12:55:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_dis_wsfreitas.pdf: 39235300 bytes, checksum: 3ce2a2b4eddf9dd5f59b65cb4b4c83f4 (MD5) Previous issue date: 2017-08-21 / Due to the increasing exploration of oil, high volumes of this raw material have often been transported by sea. Consequently, several accidents involving its spill have been reported, wich affects significantly the fauna and flora, besides the atmosphere. Traditionaly, equipment and materials for containment and mechanical removal of spilled oil are used, such as: spillways and skimmers, of low selectivity and removal efficiency (from 10 to 15 %), and sorbents such as blankets and barriers. In order to contribute to an environmentally less aggressive alternative that combine removal efficiency and lower cost of production, is proposed the synthesis of chemically crosslinked amphiphilic polymer aerogels derived from acrylamide (hydrophilic monomer) and refined sunflower oil (SO). Aerogels are materials wich can be derived from gels, whose continuous phase is replaced by air during a specific drying process. Among the most characteristic properties, the low density and high surface area stand out. The amphiphilic polymers are structurally constituted by hydrophilic and hydrophobic segments, which confers them the ability to interact with polar and nonpolar means. In order to obtain aerogels, the micellar copolymerization technique was adopted, in which hydrophilic monomers are polymerized in the aqueous phase (continuous) which are responsible for the incorporation of the hydrophobic species contained in the micelles formed by the action of a surfactant, resulting in formation of a copolymer. The aerogels synthesis and optimization were based on variations of: SO, surfactant, crosslinker and initiators. The physicochemical analyzes of SO have shown a high content of unsaturated fatty acid derivatives, indicating their potential as a source of reactive lipophilic species. Its physical and chemical characteristics are in compliance with the standards established by regulatory bodies. The FTIR and CHNS analysis reveal the presence of SO in the aerogels polymer matrix. The sorption tests using hexane over 2 h allowed to identify better performance for the aerogel AMOG34-2R:8I-30, synthesized from 34,4 % m/m of SO, 0,4 mol % of crosslinker, 8 times the starting amount “I” of the initiators and 30 times the CMC of SDS. From UV-Vis study was determined the content around 7 % m/m of hydrophobic species related to acrylamide. The images obtained by SEM revealed a macroporous structure that influenced the low density (0,032 g.cm -3 ) obtained for the aerogel. In the sorption tests using hexane, octane, toluene, gasoline, kerosene and diesel, were observed remarkable performances with some higher values than those reported in the literature to advanced sorbent materials. The sorption capacity (SC) according to the long-term test established by ASTM-F726-12 using pump oil and petroleum, were about 58 and 115 % higher than that of commercial PP blanket. In simulated sea water and distilled water the SC was lower than that observed in petroleum, to the saturation time of 15 min. The optimized aerogel showed a notable potential for the proposed application and superior performance to one of the most used 100 % synthetic sorbent materials. / Devido à crescente exploração do petróleo, volumes elevados dessa matéria-prima têm sido transportados frequentemente pelo mar. Em consequência, são relatados inúmeros acidentes envolvendo derramamentos, que agridem significativamente a fauna e flora desse meio, além da atmosfera. Tradicionalmente são utilizados equipamentos e materiais para contenção e remoção mecânica de petróleo, tais como: vertedouros e skimmers, de baixa seletividade e eficiência de remoção (de 10 a 15%) e sorventes como mantas e barreiras. A fim de contribuir com uma alternativa ambientalmente menos agressiva, que alie eficiência de remoção e menor custo de produção, é proposta a síntese de aerogéis poliméricos de caráter anfifílico, quimicamente reticulados, derivados da acrilamida (monômero hidrofílico) e óleo de girassol refinado (OG). Aerogéis são materiais que podem derivar de géis, cuja fase contínua é substituída por ar, durante um processo de secagem específico. Dentre aspropriedades mais características, destacam-se a baixa densidade e elevada área superficial. Os polímeros anfifílicos são estruturalmente constituídos por segmentos hidrofílicos e hidrofóbicos, que lhes conferem capacidade de interação com meios polares e apolares. Para obtenção dos aerogéis foi adotada a técnica de copolimerização micelar, na qual monômeros de caráter hidrofílico são polimerizados em fase aquosa (contínua), sendo responsáveis pela incorporação das espécies hidrofóbicas contidas no interior das micelas formadas pela ação de um surfactante, resultando na formação de um copolímero. A síntese e otimização dos aerogéis foram baseadas em variações dos teores de: OG, surfactante, reticulante e dos iniciadores. As análises físico-químicas do OG mostraram seu elevado teor de derivados de ácido graxo insaturados, indicando seu potencial como fonte de espécies lipofílicas reativas. Suas características físicas e químicas estão em conformidade com as normas estabelecidas pelos órgãos de regulamentação. As análises por FTIR e CHNS revelam a presença do OG na matriz polimérica dos aerogéis. Os ensaios de sorção em hexano ao longo de 2 h permitiram identificar um melhor desempenho para o aerogel AMOG2-2R:8I- 30, sintetizado a partir de 2% v/v de OG, 0,4 mol % de reticulante, 8 vezes a quantidade de partida “I” dos iniciadores e 30 vezes a CMC do SDS. Mediante estudos por UV-Vis foi determinado um teor em torno de 7 % m/m de espécies hidrofóbicas em relação à acrilamida. As imagens obtidas por MEV revelaram uma estrutura macroporosa que influenciou na baixa densidade (0,032 g.cm -3 ) obtida para o aerogel. Nos ensaios de sorção em hexano, octano, tolueno, gasolina, querosene e diesel, observou-se desempenhos notáveis com alguns valores superiores aos reportados na literatura para materiais sorventes avançados. A capacidade de sorção (CS) segundo o ensaio de longa duração estabelecido pela ASTM-F726- 12, utilizando óleo de bomba usado e petróleo, foi respectivamente de 58 e 115 % superior à da manta comercial de PP. Em água do mar simulada e água destilada, a CS foi inferior à observada em petróleo, no tempo de saturação de 15 min. O aerogel otimizado evidenciou considerável potencial para a aplicação proposta e desempenho superior ao de um dos materiais sorventes 100 % sintético mais utilizados.

O objetivo deste trabalho consistiu-se no desenvolvimento de um método para a produção de aerogéis de amido para a impregnação de óleo de café verde. Para atingir este objetivo foram estabelecidas três etapas: (1) desenvolvimento de um método de secagem supercrítica usando misturas de dióxido carbono supercrítico (CO2-sc) e etanol (EtOH); (2) fabricação de aerogéis na presença de CO2 e (3) impregnação supercrítica de extrato de óleo de café verde nos aerogéis de amido produzidos. Os aerogéis produzidos na primeira e segunda etapa foram caracterizados por adsorção-dessorção de nitrogênio a baixa temperatura (BET e BJH), microscopia eletrônica de varredura (MEV), e por difração de Raio-X para conhecer seu padrão cristalino e cristalinidade. A metodologia de secagem desenvolvida durante o presente trabalho permitiu obter resultados bastante positivos dado que os materiais (monólitos) exibiram áreas superficiais de 95 m2/g que estão de acordo com os melhores materiais descritos na literatura. Por outro lado, esta metodologia (200 bar e 40°C utilizando 2 ml/min de CO2 com 11% de etanol) permitiu uma redução significativa do tempo e secagem (de 24 h para 6 h). No que diz respeito à fabricação dos aerogéis na presença de CO2 foram testadas diferentes condições para melhorar as caraterísticas dos materiais anteriormente descritos. Neste caso, a estratégia passou pelo desenvolvimento de partículas de aerogel em vez de monólitos, avaliando o impacto da quantidade de amido no sol e da temperatura de gelatinização nas caraterísticas físico-químicas dos materiais. Os resultados demonstraram que os melhores materiais exibiram áreas superficiais de 185 m2/g, sendo obtidos com 10% de amido a 40° C. Por outro lado, verificou-se igualmente que o aumento da temperatura era responsável pela diminuição do domínio cristalino. No entanto, na presença de CO2 este efeito de diminuição não foi tão extenso como na sua ausência. O último ponto do presente trabalho consistiu na impregnação dos matérias obtidos de modo a avaliar a sua aplicabilidade como matriz de impregnação para moléculas de interesse alimentar. Neste estudo foram utilizados os monólitos obtidos na primeira etapa como matriz de impregnação de óleo de café verde em condições supercríticas (300 bar e 40°C). Os resultados obtidos demostraram uma eficiência de impregnação de 39 mg de óleo /100 mg de monólito em 12h. O presente trabalho demonstrou ser possível desenvolver uma nova metodologia de secagem de aerogéis sem etapa de troca de solvente e com uma redução apreciável do tempo de secagem. Por outro lado, foi possível obter partículas de aerogéis com caraterísticas bastante interessante para a impregnação de moléculas de interesse alimentar. Por fim este trabalho apresenta ótimas perspectivas para o desenvolvimento de um processo integrado para a fabricação de aerogéis e impregnação dos mesmos em CO2 supercrítico, demostrando boas perspectivas para o desenvolvimento de materiais biocompatíveis para aplicações nas indústrias alimentar, dermatológica ou mesmo farmacêutica. / The objective of this work was the development of a method for the production of starch aerogels for the impregnation of green coffee oil. To achieve this goal, three steps were established: (1) development of a supercritical drying method using mixtures of supercritical carbon dioxide (CO2-sc) and ethanol (EtOH); (2) fabrication of aerogels in the presence of CO2 and (3) supercritical impregnation of green coffee oil extract in the starch aerogels produced. The aerogels produced in the first and second stages were characterized by adsorptiondesorption of nitrogen at low temperature (BET and BJH), scanning electron microscopy (SEM), and by X-ray diffraction to know its crystalline pattern and crystallinity. The drying methodology developed during the present work allowed to obtain very positive results since the materials (monoliths) exhibited superficial areas of 95 m2/g that are in agreement with the best materials described in the literature. This methodology (200 bar and 40°C using 2 ml/min of CO2 with 11% of ethanol) allowed a significant reduction of the time and drying (from 24 h to 6 h). Regarding the manufacture of aerogels in the presence of CO2, different conditions were tested to improve the characteristics of the previously described materials. In this case, the strategy involved the development of aerogel particles instead of monoliths, evaluating the impact of the amount of starch in sol and the gelatinization temperature on the physical-chemical characteristics of the materials. The results showed that the best materials exhibited surface areas of 185 m2/g and were obtained with 10% starch at 40°C. On the other hand, it was also verified that the increase in temperature was responsible for the decrease of the crystalline domain. However, in the presence of CO2 this decrease effect was not as extensive as in its absence. The last point of the present work was the impregnation of the obtained materials in order to evaluate its applicability as impregnation matrix for molecules of alimentary interest. In this study, the monoliths obtained in the first stage were used as impregnation matrix of green coffee oil under supercritical conditions (300 bar and 40°C). The results showed an impregnation efficiency of 39 mg of oil/100 mg of monolith in 12 hours. The present work demonstrated that it is possible to develop a new drying methodology for aerogels without a solvent exchange step and with an appreciable reduction of the drying time. Likewise, it was possible to obtain particles of aerogels with very interesting characteristics for the impregnation of molecules of alimentary interest. Finally, this work leaves great prospects for the development of an integrated process for the manufacture of aerogels and their impregnation in supercritical CO2, demonstrating good prospects for the development of biocompatible materials for applications in the food, dermatological or even pharmaceutical industries.

A síntese de vidros pelo método sol-gel tornou-se recentemente de grande interesse, tanto do ponto de vista técnico como científico. Descrevemos neste trabalho o processo utilizado para a obtenção de aerogel de sílica (formação do gel &#8594 secagem hipercrítica &#8594 sinterização) e algumas características físicas e químicas, em diversas temperaturas de sinterização (Ts) dos aerogéis produzidos. Aerogeis de sílica foram preparados pela hidrólise e condensação de sóis de sistema TMOS metanol- H2O com razão molar TMOS: H2O = 4: 1 e razão em volume de TMOS na solução TMOS metanol = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 e 0,6. As suas propriedades estruturais tais como; a densidade aparente e da matriz, a área superficial BET, volume total dos poros, distribuição de tamanho dos poros, constante e perda dielétricas foram sistematicamente investigadas em função do tratamento térmico de sinterização. As propriedades de relaxação da água adsorvida na superfície altamente reativa foram estudadas através das técnicas dielétricas e de ressonância magnética nuclear em função do conteúdo de H2O, 0 &#60 &#952H2O &#60 6, e temperatura. Também foi feito um estudo da cinética de adsorção da água em aerogéis com varias temperaturas de sinterização. / The synthesis of glasses using the sol-gel method appeared recently of great interest either from the technological or from the scientific point of view. We describe the process used to obtain pure vitreous silica (gel formation &#8594 hypercritical drying &#8594 densification) as well as some physical and chemical characteristics of the various products fabricated. Silica aerogels have been prepared by hydrolysis and condensation of sols of composition TMOS methanol - H2O with molar ratio TMOS: H2O = 4.1 and volume ratio of TMOS in solution of TMOS-methanol = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 and 0,6. Their structural properties such as true and apparent densities, BET surface area, total pore volume, pore size distribution, dielectric constant and loss have been systematically investigated as a function of the densification heat treatment. The relaxation properties of water adsorbed on the highly reactive surface have been studied by dielectric and nuclear magnetic resonance techniques as a function of the H2O coverage (0 &#60 &#952H2O &#60 6) and temperature. The adsorption kinetics of the water was studied too in the aerogels with several heat temperature of sinterization.

Submitted by AMANDA PASQUOTO PERISSINOTTO null (amandap@rc.unesp.br) on 2016-02-17T12:33:22Z No. of bitstreams: 2 DissertaçãoAmandaok.pdf: 4083559 bytes, checksum: 7362f582721fdb5515688043eff181ca (MD5) DissertaçãoAmandaok.pdf: 4083559 bytes, checksum: 7362f582721fdb5515688043eff181ca (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-02-17T13:06:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 perissinotto_ap_me_rcla.pdf: 4083559 bytes, checksum: 7362f582721fdb5515688043eff181ca (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-17T13:06:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 perissinotto_ap_me_rcla.pdf: 4083559 bytes, checksum: 7362f582721fdb5515688043eff181ca (MD5) Previous issue date: 2016-02-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O objetivo deste trabalho foi estudar as características estruturais em géis úmidos de sílica preparados a partir da hidrólise ácida de Tetraetilortosilicato (TEOS) com adições do surfactante aniônico Dodecil Sulfato de Sódio (SDS). O surfactante foi removido após a gelificação. Os géis úmidos exibem uma estrutura fractal de massa com dimensão fractal de massa D (típicamente em torno de 2,25) numa escala de comprimentos que se estende desde o tamanho característico ξ (geralmente em torno de 10 nm) do domínio do fractal de massa até um tamanho característico a0 (típicamente entre 0,3 - 0,4 nm) da partícula primária que constituí o domínio fractal. ξ aumenta enquanto que D e a0 diminuem ligeiramente com o aumento da quantidade de SDS. Aerogéis SCD com superfície específica típica de 1000 m2 /g e massa específica aparente de 0,20 g/cm3 foram obtidos por secagem supercrítica (SCD) dos géis úmidos depois da lavagem com etanol. O volume de poros e o tamanho médio de poros aumentaram com o aumento da quantidade de SDS. Os aerogéis SCD preservaram a maior parte das características do fractal de massa dos géis úmidos originais em larga escala de comprimento e exibiram num nível de resolução em torno de 0,7 nm uma mudança („crossover‟) para uma estrutura de fractal de massa e superfície, com dimensão aparente de fractal de massa Dm ~ 2,4 e dimensão de fractal de superfície Ds ~ 2,6, conforme concluído a partir dos dados de espalhamento de raios-X à baixo angulo (SAXS) e adsorção de Nitrogênio. Aerogéis hidrofóbicos secos a pressão ambiente (APD) apresentaram superfície específica típica de 800 m2 /g e massa específica aparente de 0,20 g/cm3 e foram obtidos após sililação dos precursores géis úmidos com uma mistura de Hexametildisiloxano (HMDSO) e Trimetilclorosilano (TMCS). O volume de poros e o tamanho médio de poros dos aerogéis APD aumentaram com o aumento da quantidade de SDS. Os aerogéis APD preservaram a maior parte das características do fractal de massa do precursor gel úmido em larga escala de comprimento. O raio de giração dos clusters dos aerogéis APD (tipicamente 17 nm) aumentou com o aumento da quantidade de SDS, enquanto que o raio da partícula primária de sílica (tipicamente 2,0 nm) aumentou com a primeira adição de SDS (em relação à amostra sem SDS) e depois diminuiu regularmente com o aumento da quantidade de SDS. A partícula primária apresentou ainda alguma heterogeneidade interna e uma interface do contorno difuso com espessura em torno de 0,7 nm, de acordo com o modelo de gradiente linear para o contorno difuso. / This work aims to study the structural characteristics of silica wet gels prepared from hydrolysis of Tetraethoxysilane (TEOS) with additions of the anionic surfactant Sodium Dodecyl-Sulfate (SDS). The surfactant was removed after gelation. Wet gels exhibited massfractal structure with mass-fractal dimension D (typically around 2.25) in a length scale extending from a characteristic size ξ (typically about 10 nm) of the mass-fractal domains to a characteristic size a0 (typically between 0.3 - 0.4 nm) of the primary particles building up the fractal domains. ξ increased while D and a0 diminished slightly as the SDS quantity increased. Aerogels with typical specific surface of 1000 m 2 /g and density of 0.20 g/cm3 were obtained by supercritical drying (SCD) of the wet gels after washing with ethanol and n-hexane. The pore volume and the mean pore size increased with the increase of the SDS quantity. The aerogels presented most of the mass-fractal characteristics of the original wet gels at large length scales and exhibited at a higher resolution level at about 0.7 nm a crossover to a masssurface fractal structure, with apparent mass-fractal dimension Dm ~ 2.4 and surface-fractal dimension Ds ~ 2.6, as inferred from small-angle X-ray scattering (SAXS) and Nitrogen adsorption data. Hydrophobic ambient pressure drying (APD) aerogels with typical specific surface of 800 m2 /g and bulk density of 0.20 g/cm3 were obtained after silylation of the precursor wet gels with a mixture of Hexamethyldisiloxane (HMDSO) and Trimethylchlorosilane (TMCS). The pore volume and the mean pore size of the APD aerogels increased with increasing the SDS quantity. APD aerogels presented most of the mass-fractal characteristics of the precursor wet gels at large length scales. The radius of gyration of the clusters of the APD aerogels (typically 17 nm) increased with increasing the SDS quantity, while the radius of the silica primary particles (typically 2.0 nm) increased at first with the addition of SDS (with respect to the sample without SDS) and decreased regularly afterward with increasing the SDS quantity. The primary particles presented yet some internal inhomogeneity and a diffuse-boundary interface with thickness of about 0.7 nm, according to a linear-gradient model for the diffuse boundary.

A síntese de vidros pelo método sol-gel tornou-se recentemente de grande interesse, tanto do ponto de vista técnico como científico. Descrevemos neste trabalho o processo utilizado para a obtenção de aerogel de sílica (formação do gel &#8594 secagem hipercrítica &#8594 sinterização) e algumas características físicas e químicas, em diversas temperaturas de sinterização (Ts) dos aerogéis produzidos. Aerogeis de sílica foram preparados pela hidrólise e condensação de sóis de sistema TMOS metanol- H2O com razão molar TMOS: H2O = 4: 1 e razão em volume de TMOS na solução TMOS metanol = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 e 0,6. As suas propriedades estruturais tais como; a densidade aparente e da matriz, a área superficial BET, volume total dos poros, distribuição de tamanho dos poros, constante e perda dielétricas foram sistematicamente investigadas em função do tratamento térmico de sinterização. As propriedades de relaxação da água adsorvida na superfície altamente reativa foram estudadas através das técnicas dielétricas e de ressonância magnética nuclear em função do conteúdo de H2O, 0 &#60 &#952H2O &#60 6, e temperatura. Também foi feito um estudo da cinética de adsorção da água em aerogéis com varias temperaturas de sinterização. / The synthesis of glasses using the sol-gel method appeared recently of great interest either from the technological or from the scientific point of view. We describe the process used to obtain pure vitreous silica (gel formation &#8594 hypercritical drying &#8594 densification) as well as some physical and chemical characteristics of the various products fabricated. Silica aerogels have been prepared by hydrolysis and condensation of sols of composition TMOS methanol - H2O with molar ratio TMOS: H2O = 4.1 and volume ratio of TMOS in solution of TMOS-methanol = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 and 0,6. Their structural properties such as true and apparent densities, BET surface area, total pore volume, pore size distribution, dielectric constant and loss have been systematically investigated as a function of the densification heat treatment. The relaxation properties of water adsorbed on the highly reactive surface have been studied by dielectric and nuclear magnetic resonance techniques as a function of the H2O coverage (0 &#60 &#952H2O &#60 6) and temperature. The adsorption kinetics of the water was studied too in the aerogels with several heat temperature of sinterization.

Apesar de a fotocatálise heterogênea ser reconhecida como uma abordagem promissora e sustentável para promover processos de remediação ambiental, aplicações práticas de processos fotocatalíticos ainda são muito limitadas devido à baixa eficiência dos fotocatalisadores existentes. Neste contexto, a pesquisa na interface Química/Ciência dos Materiais é de grande relevância para o desenvolvimento de rotas sintéticas que permitam a obtenção e o controle das propriedades de novos fotocatalisadores multi-componentes visando desempenho fotocatalítico aprimorado. Os trabalhos descritos nesta tese abordam rotas sintéticas desenvolvidas ou aprimoradas para preparação de partículas e aerogéis nanoestruturados baseados na incorporação do fotocatalisador de alta atividade TiO2 em escala nanométrica junto à estruturas de sílica, que atuam como suporte estrutural de alta estabilidade térmica. Adicionalmente, os materiais sintetizados foram modificados com o hexacianometalato Fe4[Fe(CN)6]3, o Azul da Prússia (PB) como tentativa para aumento do desempenho fotocatalítico em reações de redução. A caracterização detalhada dos materiais foi realizada por amplo conjunto de técnicas visando correlacionar atividade fotocatalítica com propriedades físicas e estruturais. Na primeira etapa do trabalho partículas core-shell SiO2@TiO2 foram preparadas pela adsorção e hidrólise controlada do precursor Isopropóxido de Titânio na superfície de partículas submicrométricas de sílica. Variando a composição do solvente (razão isopropanol/etanol) foi possível controlar a cinética de deposição do TiO2, levando à controle sobre composição e morfologia das partículas SiO2@TiO2 sintetizadas. Este material apresentou eficiência de fotodegradação do corante Cristal Violeta superior a do TiO2 não-suportado, assim como elevada estabilidade térmica devido à formação de ligações interfaciais Si-O-Ti. Em uma segunda etapa, novas rotas de preparação de aerogéis de sílica-titânia foram desenvolvidas empregando TiCl4 como precursor alternativo aos alcóxidos de titânio e processamento dos materiais por secagem em CO2 supercrítico. Explorou-se a reação de termo-hidrólise do TiCl4 para promover a deposição termo-induzida de titania em géis monolíticos de sílica, bem como o método de gelificação assistida por epóxido para formação de rede tridimensional porosa de titânia ao redor de partículas de aerogel de sílica, levando à preparação de aerogéis core-shell SiO2@TiO2 e aerogéis nanocompósitos SiO2/TiO2, respectivamente. A estrutura mesoporosa robusta dos aerogéis e a capacidade da sílica de inibir a transformação de fase anatase-rutilo se refletiram em um aumento de atividade fotocatalítica com o aumento da temperatura de calcinação, sendo que os aerogéis de sílica-titânia tratados a 1000ºC apresentaram eficiência fotocatalítica superiores a dos aerogéis de titânia pura e do fotocatalisador comercial P25. Na parte final do trabalho, as partículas e aerogéis de SiO2/TiO2 e TiO2 foram modificados adicionalmente com o PB e com PB/MoS2 por métodos de fotodeposição. Demonstrou-se que o PB pode atuar como co-catalisador na reação de redução fotocatalítica de espécie altamente tóxicas de Cr(VI) em compostos não tóxicos de Cr(III), aumentando substancialmente a eficiência dos materiais baseados em TiO2 sobre radiação UV. Finalmente, a modificação concomitante dos fotocatalisadores com PB e o semicondutor MoS2 levam a aumento sinérgico de atividade redução fotocatalítica de Cr(VI) também sob luz visível. Os materiais desenvolvidos neste trabalho apresentam interessante potencial para aplicações em processos de remediação ambiental e desenvolvimento de revestimentos cerâmicos auto-limpantes. / Despite its potential as a promising and sustainable approach for environmental remediation, heterogeneous photocatalysis still has limited practical applicability due to the low efficiency of the existing photocatalysts. In this context, research on the Chemistry/Materials Science interface is of utmost importance for the development of synthetic routes that allow preparation of novel multi-component photocatalysts with controlled properties and enhanced photocatalytic performance. The studies reported in this thesis describe newly developed or improved synthetic routes for the preparation of nanostructured photocatalysts in the form of particles and aerogels through incorporation of highly photoactive TiO2 nanoparticles in silica materials as thermally stable structural supports. Additionally, the prepared silica-titania photocatalysts were further modified with Prussian Blue (PB), hexacyanometallate Fe4[Fe(CN)6]3, in order to enhance the efficiency of photocatalytic reduction reactions. In order to correlate the observed photocatalytic performance with the physical/structural properties of the photocatalysts, the prepared photocatalysts were characterized using an array of complimentary techniques. In the first part of the study, core-shell SiO2@TiO2 particles were prepared by the adsorption and controlled hydrolysis of titanium isopropoxide precursor on the surface of submicron silica particles. The rate of titania deposition and the resultant particle morphology as well as TiO2 loading could be effectively controlled by changing solvent composition (isopropanol/ethanol ratio). The prepared SiO2@TiO2 core-shell particles showed superior performance for crystal violet dye photodegradation as compared to unsupported TiO2, in addition to their improved thermal stability due to the formation of Si-O-Ti interfacial bonds. In the second part of thesis, new synthetic routes were developed for the preparation of high surface area silica-titania aerogels employing TiCl4 as an alternative titania precursor. We explored the thermohydrolysis of TiCl4 to promote thermo-induced deposition of titania on silica monolithic gels and epoxide-assisted gelation method for formation of titania gel network around silica aerogel particles, thus yielding SiO2@TiO2 core-shell and SiO2/TiO2 composite aerogels, respectively. The prepared silica-titania aerogels displayed remarkable physical properties, including high surface area, large pore volume and outstanding thermal stability of the supported anatase nanoparticles. The robust thermally stable mesoporous structure of the prepared aerogels, coupled with the ability of silica to inhibit anatase-to-rutile transformation, led to the enhancement of photocatalytic activity with an increase in annealing temperature to as high as 1000 ºC. In fact, the photocatalytic activity of silica-titania aerogels annealed at 1000 ºC outperforms that of both pristine titania aerogels and Degussa P25 commercial photocatalyst. In the final part of the study, the prepared TiO2-based particles and aerogels were further modified with PB and PB/MoS2 by photodeposition method. We could demonstrate that PB can act as an efficient co-catalyst for the photocatalytic reduction of highly toxic Cr(VI) species to the non-toxic Cr(III), thus largely improving the photocatalytic performance of TiO2-based photocatalysts under UV illumination. Finally, simultaneous modification of the titania-based photocatalysts with both PB and the visible-light active semiconductor MoS2 lead to a synergistic enhancement of photocatalytic reduction of Cr(VI) under visible-light as well. The photocatalytic materials developed in this study may find useful application in many areas such as environmental remediation, wastewater purification and the development of self-cleaning ceramic coatings.

Aerogéis de hidroxipropil metilcelulose (HPMC) com diferentes graus de substituição por grupos metila (DS) e hidroxipropila (MS) foram preparados por liofilização utilizando diferentes ácidos como agentes de reticulação, a saber: ácido cítrico, ácido oxálico e ácido tereftálico. Nanocristais de celulose bacteriana (BCN) neutros e negativamente carregados foram utilizados como carga de reforço nas concentrações de 5% (m/m) e 15% (m/m) em relação à massa da matriz. Os resultados indicaram que HPMCs com menores valores de DS e maiores valores de MS resultam em aerogéis com maior eficiência na reticulação. Além disso, agentes de reticulação insolúveis em água minimizaram a capacidade de reticulação, enquanto agentes de reticulação com uma maior quantidade de grupos funcionais ácidos aumentaram a probabilidade e a eficiência da reação de reticulação das cadeias de HPMC. Os aerogéis apresentaram alta estabilidade em água, solventes orgânicos e meio ácido, além de apresentar resiliência quanto à deformação em meio aquoso. Os aerogéis apresentaram porosidade de ~98%, densidade média variando de 0,021 à 0,026 (± 0,002) g.cm-3, módulo de Young variando de 101 à 150 (± 19) kPa e capacidade média de absorção de água de 18 g de água/g de aerogel. A adição de carga de reforço resultou em um aumento de até 13% na densidade aparente do aerogel e um aumento médio de 20% no módulo de Young dos materiais. A morfologia dos poros dos aerogéis sintetizados é irregular, com ampla faixa de distribuição de tamanho de poros, podendo variar cerca de 5 µm a 500 µm. Nos aerogéis reforçados, as BCNs encontram-se preferencialmente no interior das paredes dos aerogéis, onde o reforço mecânico é mais eficiente. Isotermas de adsorção de 17α-etinilestradiol (EE) foram realizadas, resultando em capacidades de remoção de até 90%, com possibilidade de reciclo. As isotermas indicam que a matriz HPMC J5MS possui maior afinidade para adsorção de EE e que a adição de BCNs aumenta a afinidade das moléculas pelo substrato. As isotermas foram melhor ajustadas com o modelo de Freundlich, indicando que a adição de 5% de BCNs aumenta a capacidade de adsorção do aerogel, enquanto a adição de 15% de BCNs provoca uma diminuição nesta propriedade. / Aerogels of Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), with different degrees of substitution for methyl groups (MS) and hydroxypropyl groups (DS) were prepared by freeze-drying. The HPMCs were combined with three organic acids as crosslinking agents: citric acid, oxalic acid and terephthalic acid. Bacterial cellulose nanocrystals (BCN) neutral and negatively charged were used as reinforcement particles from 5% to 15% m/m in relation to the polymer mass. The results indicated that HPMC with lower DS and higher MS levels result in aerogels with higher crosslink efficiency. Besides that, crosslinking agents that are water insoluble minimized the crosslinking capacity, while crosslinking agents with more functional acid groups presented higher probability and efficiency in the crosslinking reaction. The aerogels presented high stability in water, organic solvents and acid media, and presented mechanical resilience in aqueous media. The resulting aerogels presented porosity of ~98%, average density of 0.021 to 0.026 (± 0.002) g.cm-3, Young modulus of 101 to 150 (± 19) kPa and an average capacity of water absorption of 18 g of water/g of aerogel. The addition of reinforcement particles resulted in an increase in density up to 13% and an average increase in the Young modulus of 20%. The morphology of the aerogels was irregular, with a wide pore size distribution, varying between de 5 µm a 500 µm. In the reinforced aerogels, the BCNs were found preferably inside the aerogels walls, were the mechanical reinforcement is more efficient. Adsorption isotherms of 17 ethinyl estradiol (EE) revealed removal capacity up to 90% and possibility of adsorbent recycling. The isotherms indicated that the HPMC J5MS has higher affinity for EE molecules and that the use of BCNs increases aerogels affinity. The isotherms were well fitted with the Freundlich model, indicating that the addition of 5% BCN increases the adsorption capacity of the aerogels, while the addition of 15 % BCN results in a decrease in this property.

Aerogéis de hidroxipropil metilcelulose (HPMC) com diferentes graus de substituição por grupos metila (DS) e hidroxipropila (MS) foram preparados por liofilização utilizando diferentes ácidos como agentes de reticulação, a saber: ácido cítrico, ácido oxálico e ácido tereftálico. Nanocristais de celulose bacteriana (BCN) neutros e negativamente carregados foram utilizados como carga de reforço nas concentrações de 5% (m/m) e 15% (m/m) em relação à massa da matriz. Os resultados indicaram que HPMCs com menores valores de DS e maiores valores de MS resultam em aerogéis com maior eficiência na reticulação. Além disso, agentes de reticulação insolúveis em água minimizaram a capacidade de reticulação, enquanto agentes de reticulação com uma maior quantidade de grupos funcionais ácidos aumentaram a probabilidade e a eficiência da reação de reticulação das cadeias de HPMC. Os aerogéis apresentaram alta estabilidade em água, solventes orgânicos e meio ácido, além de apresentar resiliência quanto à deformação em meio aquoso. Os aerogéis apresentaram porosidade de ~98%, densidade média variando de 0,021 à 0,026 (± 0,002) g.cm-3, módulo de Young variando de 101 à 150 (± 19) kPa e capacidade média de absorção de água de 18 g de água/g de aerogel. A adição de carga de reforço resultou em um aumento de até 13% na densidade aparente do aerogel e um aumento médio de 20% no módulo de Young dos materiais. A morfologia dos poros dos aerogéis sintetizados é irregular, com ampla faixa de distribuição de tamanho de poros, podendo variar cerca de 5 µm a 500 µm. Nos aerogéis reforçados, as BCNs encontram-se preferencialmente no interior das paredes dos aerogéis, onde o reforço mecânico é mais eficiente. Isotermas de adsorção de 17α-etinilestradiol (EE) foram realizadas, resultando em capacidades de remoção de até 90%, com possibilidade de reciclo. As isotermas indicam que a matriz HPMC J5MS possui maior afinidade para adsorção de EE e que a adição de BCNs aumenta a afinidade das moléculas pelo substrato. As isotermas foram melhor ajustadas com o modelo de Freundlich, indicando que a adição de 5% de BCNs aumenta a capacidade de adsorção do aerogel, enquanto a adição de 15% de BCNs provoca uma diminuição nesta propriedade. / Aerogels of Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), with different degrees of substitution for methyl groups (MS) and hydroxypropyl groups (DS) were prepared by freeze-drying. The HPMCs were combined with three organic acids as crosslinking agents: citric acid, oxalic acid and terephthalic acid. Bacterial cellulose nanocrystals (BCN) neutral and negatively charged were used as reinforcement particles from 5% to 15% m/m in relation to the polymer mass. The results indicated that HPMC with lower DS and higher MS levels result in aerogels with higher crosslink efficiency. Besides that, crosslinking agents that are water insoluble minimized the crosslinking capacity, while crosslinking agents with more functional acid groups presented higher probability and efficiency in the crosslinking reaction. The aerogels presented high stability in water, organic solvents and acid media, and presented mechanical resilience in aqueous media. The resulting aerogels presented porosity of ~98%, average density of 0.021 to 0.026 (± 0.002) g.cm-3, Young modulus of 101 to 150 (± 19) kPa and an average capacity of water absorption of 18 g of water/g of aerogel. The addition of reinforcement particles resulted in an increase in density up to 13% and an average increase in the Young modulus of 20%. The morphology of the aerogels was irregular, with a wide pore size distribution, varying between de 5 µm a 500 µm. In the reinforced aerogels, the BCNs were found preferably inside the aerogels walls, were the mechanical reinforcement is more efficient. Adsorption isotherms of 17 ethinyl estradiol (EE) revealed removal capacity up to 90% and possibility of adsorbent recycling. The isotherms indicated that the HPMC J5MS has higher affinity for EE molecules and that the use of BCNs increases aerogels affinity. The isotherms were well fitted with the Freundlich model, indicating that the addition of 5% BCN increases the adsorption capacity of the aerogels, while the addition of 15 % BCN results in a decrease in this property.

Estudos sistemáticos utilizando a técnica de SAXS foram realizados no síncrotom do LURE (Orsay) com feixe intenso de geometria pontua:, para descrever a cinética e as estruturas obtidas durante as etapas de transformação sol -> gel úmido -> gel seco -> vidros de sílica . As análises foram feitas em termos de uma lei de potência I = q-? cujo expoente está relacionado a dimensão fractal de massa ou de superfície das estruturas. Devido a polidispersividade das unidades espalhadoras as dimensões fractais verificadas podem ser resultados de dimensões reais encobertas por uma distribuição de tamanhos. As curvas obtidas para a cinética de gelificação e envelhecimento dos géis úmidos mostram expoentes que indicam fractalidade de massa e, posteriormente, de superfície. Uma microestrutura composta, que pode resultar de uma agregação limitada por difusão (DLA) seguido de agregação de agregados (C-C) foi observado nas soluções básicas. Por outro lado, os agregados ácidos parecem surgir do crescimento contínuo de cadeias até atingir a interligação com outros agregados com uma cinética que pode ser descrita pelo modelo DLA. No estado de aerogeis outras técnicas como picnometria de mercúrio e hélio, microscopia eletrônica de transmissão e adsorção de gás de nitrogênio, foram também aproveitadas. Nestes materiais encontramos em uma faixa estreita de escala, um expoente indicando fractalidade de massa, embora com superfície lisa. Os resultados estão de acordo com um modelo de estrutura que tem uma matriz de SiO2 densa. A estrutura fractal desaparece durante o tratamento térmico de densificação devido ao rearranjo estrutural. / Systematic SAXS studies have been performed at the LURE synchrotron (Orsay) using an intense beam of point-like cross-section to describe the kinetic and the structure obtained during the sol-> humid gel -> dry gel ->silica glass. The analysis were done in terms of a power law, I = q-? , whose exponent is related to mass and surface fractal dimensions of the structures. Due to polidispersity of the scattering units the found fractal dimensions can be \"smeared\" dimensions that result from a size distribution. All the kinetic and aging humids curves showed evidenced of fractal structures. A composed microstructure that can be originated by clustering of clusters (C-C) of primary units grown by diffusion limited-aggregation (DLA), was observed for basic gels. By other hand, the acidic cluster seems to grow continuously reaching gelation through crosslinking of the clusters. The DLA model seems to describe this process. In the aerogels study others techniques like density measurements using Hg and He, TEM and adsorption of N2 gas were done along with SAXS measurements. Here we could find a narrow range in which the system is a mass fractal, although its surface has been already smoothened. The results agree with a dense SiO2 matrix model. During the densification no fractal structure was verified due to structural rearrangements at high temperature.

Estudos sistemáticos utilizando a técnica de SAXS foram realizados no síncrotom do LURE (Orsay) com feixe intenso de geometria pontua:, para descrever a cinética e as estruturas obtidas durante as etapas de transformação sol -> gel úmido -> gel seco -> vidros de sílica . As análises foram feitas em termos de uma lei de potência I = q-? cujo expoente está relacionado a dimensão fractal de massa ou de superfície das estruturas. Devido a polidispersividade das unidades espalhadoras as dimensões fractais verificadas podem ser resultados de dimensões reais encobertas por uma distribuição de tamanhos. As curvas obtidas para a cinética de gelificação e envelhecimento dos géis úmidos mostram expoentes que indicam fractalidade de massa e, posteriormente, de superfície. Uma microestrutura composta, que pode resultar de uma agregação limitada por difusão (DLA) seguido de agregação de agregados (C-C) foi observado nas soluções básicas. Por outro lado, os agregados ácidos parecem surgir do crescimento contínuo de cadeias até atingir a interligação com outros agregados com uma cinética que pode ser descrita pelo modelo DLA. No estado de aerogeis outras técnicas como picnometria de mercúrio e hélio, microscopia eletrônica de transmissão e adsorção de gás de nitrogênio, foram também aproveitadas. Nestes materiais encontramos em uma faixa estreita de escala, um expoente indicando fractalidade de massa, embora com superfície lisa. Os resultados estão de acordo com um modelo de estrutura que tem uma matriz de SiO2 densa. A estrutura fractal desaparece durante o tratamento térmico de densificação devido ao rearranjo estrutural. / Systematic SAXS studies have been performed at the LURE synchrotron (Orsay) using an intense beam of point-like cross-section to describe the kinetic and the structure obtained during the sol-> humid gel -> dry gel ->silica glass. The analysis were done in terms of a power law, I = q-? , whose exponent is related to mass and surface fractal dimensions of the structures. Due to polidispersity of the scattering units the found fractal dimensions can be \"smeared\" dimensions that result from a size distribution. All the kinetic and aging humids curves showed evidenced of fractal structures. A composed microstructure that can be originated by clustering of clusters (C-C) of primary units grown by diffusion limited-aggregation (DLA), was observed for basic gels. By other hand, the acidic cluster seems to grow continuously reaching gelation through crosslinking of the clusters. The DLA model seems to describe this process. In the aerogels study others techniques like density measurements using Hg and He, TEM and adsorption of N2 gas were done along with SAXS measurements. Here we could find a narrow range in which the system is a mass fractal, although its surface has been already smoothened. The results agree with a dense SiO2 matrix model. During the densification no fractal structure was verified due to structural rearrangements at high temperature.