Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-08-18T15:18:04Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE-BAGR.pdf: 9049017 bytes, checksum: af3edd6dce7e702e64d600bace79a1e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-18T15:18:04Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE-BAGR.pdf: 9049017 bytes, checksum: af3edd6dce7e702e64d600bace79a1e9 (MD5) Previous issue date: 2015-04-08 / CNPq / Atualmente o grafeno tem sido considerado uma nanoestrutura ideal para diversas aplicações, porém o processo de síntese em longa escala ainda é um desafio, sendo o grafeno oxidado (GO) uma possível solução para obter o grafeno em grande quantidade. Neste trabalho sintetizamos GO utilizando método de Hummers ao qual introduzimos modificações de modo a diminuir os gases tóxicos produzidos durante a síntese. De modo a não alterar as propriedades do grafeno devido à introdução de grupos funcionais existentes no GO utilizamos dois processos de redução, um químico e outro térmico. O grafeno obtido por ambos processos foi caracterizado do ponto de vista estrutural, morfológico e óptico. Os resultados revelaram que o grafeno reduzido (RGO) apresentava na forma de bicamada, com uma alta área superficial (500 m2 g-1). Foi observado também no espectro UV-Vis, um deslocamento de comprimento de onda da ordem de 40 nm para energias maiores e uma diminuição de 50% do número de defeitos em relação ao GO, devido a eliminação de grupos funcionais, pelo processo de redução. Utilizamos o mesmo processo de síntese do RGO para produzir nanofitas de carbono. As nanofitas apresentam propriedades similares ao grafeno, embora estas não dependam somente do número de folhas, como no caso do grafeno. As propriedades elétricas das nanofitas dependem fortemente de sua largura. Assim, para o controle da largura das nanofitas, utilizamos o método de Tour para a abertura de nanotubos de carbono de múltiplas camadas (MWCNTs). As nanofitas sintetizadas possuem comprimentos em torno de 5 μm e larguras em torno de 150 nm, e com número de folhas menor ou igual a 5. Além da síntese do grafeno e das nanofitas utilizamos nanopartículas magnéticas para decorar estas nanoestruturas, visando obter materiais com propriedades catalíticas, magnéticas e biocompatíveis. Utilizamos essas nanoestruturas para estudar suas possíveis aplicações no desenvolvimento de capacitores, na remoção de corantes e como sensor de biomoléculas. / Synthesis and characterization of graphene oxide and graphene nanoribbons Due to its excellent properties graphene has been established as a very good candidate in many potential applications. However, one of the main challenge for achivieving that is the massive producution of this material. Graphene oxide (GO) has been suggested as a possible route to face this concern taking the great advantage of its large scale production. In this work, we synthetise GO using the well-known Hummers method with some modifications in order to reduce the production of toxic gases. Futhermore, reduction of GO was performed to keep physical properties to be the most closest to graphene by eliminating funtional groups attached to the GO. Then, the obtained reduced graphene oxide (RGO) was characterized structural and morphologically. Those studies reveal that the RGO has at least 2 sheets, a high surface area (500 m2g-1) and a reduction of defects very close to a half of that in GO. Synthesis of graphene nanoribbons was also explored using the Tour procedure. Our results suggest the sucessful synthesis of nanoribbons with typical dimensions of 5 um in length, witdth of 150 nm and composed of less than 5 sheets. Decoration of graphene and graphene nanorribons with magnetic particles was achieved to study biocompatibility, catalityc and magnetic properties. Finally, some applications with the synthetized materials are developed in the field of capacitors, colorant removal and biosensors.

Neste estudo foi investigado o processo de redução térmica do óxido de grafeno em médio vácuo como uma rota viável de baixo custo econômico para obtenção do óxido de grafeno reduzido para aplicação em supercapacitores. O objetivo principal foi estudar a influência da temperatura de processamento no grau de redução do óxido de grafeno utilizando um sistema de vácuo com bomba mecânica de duplo estágio. O processamento constituiu na exposição do óxido de grafeno em várias temperaturas (200, 400, 600, 800 e 1000 °C) com pressão reduzida (10-2mbar) condição de médio vácuo. Foram utilizadas técnicas convencionais para caracterização dos materiais precursores e processados, tais como: microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios-X (DRX) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Com os resultados deste estudo foi demostrado que é possível obter o óxido de grafeno reduzido utilizando um sistema de vácuo com bomba mecânica de duplo estágio e temperaturas de processamento superiores a 200°C. / In this study the process of medium vacuum thermal reduction of the graphene oxide as a low cost route for obtaining reduced graphene oxide has been investigated. The main objective was to study the influence of the processing temperature on the degree of reduction of the graphene oxide using a vacuum system with two stage backing pump. The processing was carried out by exposing the graphene oxide at various temperatures (200, 400, 600, 800 e 1000 °C) with reduced pressure (10-2 mbar). Conventional techniques have been employed to the characterization of the starting and processed materials, such as: scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction and Fourier transformed infrared spectroscopy (FTIR). With the results of this study it has been demonstrated that it is possible to obtain the reduced graphene oxide using a vacuum system with a two stage backing pump and processing temperatures superior to 200°C.

Tuberculosis is a leading killing disease worldwide with more than 9 million people a ected per year. Current diagnostic methods exhibit several disadvantages; one of the most promising alternatives to overcome this is the development of nanostructured diagnostic systems which are able to detect molecules associated with certain diseases. Graphene since its discovery has been the focus for the development of these sensing elements due to its excellent electronic properties. In this work, a graphene-based eld e ect transistor (FET) has been developed for tuberculosis DNA detection, in order to set the basis for a diagnostic method that overcomes current limitations. The sensing elements composed of graphene monolayers were manufactured in the stages of annealing of the substrate, addition of the linker and functionalization with the addition of a probe DNA for tuberculosis detection. Additionally, two conditions for the sensing element were generated; one with the addition of a complementary DNA sequence (\DNA Target") and the other with a mismatched DNA sequence (\Non-complementary DNA"). The graphene and the transistor, in each stage of the manufacturing process, were structural, chemical and morphologically characterized by Raman Spectroscopy, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Optical Microscopy, Laser Scanning Microscopy (LSM), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). The results indicated an appropriate functionalization of the graphene surface with the linker, the immobilization of the probe tuberculosis DNA and the hybridization with the corresponding \DNA Target", demonstrated by observation of di erent homogeneous morphologies and an appropriate increase in the roughness in each stage of the manufacturing process. Also by the presence of characteristic peaks of nitrogenous bases and in the variation of graphene bands in the Raman spectrum. On the contrary, the sensor element with the \Non-complementary" showed an agglomeration of the molecules and segregation of salts on a heterogeneous surface. The results of the characterization are consistent with the electronic characteristics previously determined. This investigation contributes to a basis for the development of a tuberculosis detection system based on nanotechnology for clinical application. / La tuberculosis es una de las principales enfermedades mortales en todo el mundo, con más de 9 millones de personas afectadas por año. Los métodos de diagnóstico actuales presentan varias desventajas; una de las alternativas más prometedoras para superar esto es el desarrollo de sistemas de diagnóstico nanoestructurados que son capaces de detectar moléculas asociadas con ciertas enfermedades. El grafeno desde su descubrimiento ha sido un foco para el desarrollo de estos elementos sensores debido a sus excelentes propiedades electrónicas. En este trabajo, se ha desarrollado un transistor de efecto de campo basado en grafeno (FET) para la detección del ADN de la tuberculosis, con el fin de sentar las bases para un método de diagnóstico que supere las limitaciones actuales. Los elementos sensores compuestos de monocapas de grafeno se fabricaron en las etapas de recocido del sustrato, adición del linker y funcionalización con la adición de un probe ADN para la detección de tuberculosis. Adicionalmente, se generaron dos condiciones para los elementos de detección; uno con la adición de una secuencia de ADN complementaria (“DNA Target") y el otro con una secuencia de ADN no complementaria (“Non-complementary DNA"). El grafeno y el transistor, en cada etapa del proceso de fabricación, se caracterizaron estructural, química y morfológicamente por Espectroscopia Raman, Espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS), Microscopia óptica, Microscopia de Láser de Barrido (LSM), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). Los resultados indicaron una funcionalización apropiada de la superficie del grafeno con el linker, la inmovilización del probe ADN de tuberculosis y la hibridación con el correspondiente “DNA Target", demostrado por la observación de diferentes morfologías homogéneas y un aumento apropiado de la rugosidad en cada etapa del proceso de fabricación. También por la presencia de picos característicos de bases nitrogenadas y en la variación de las bandas de grafeno en el espectro Raman. Por el contrario, el elemento sensor con el “Noncomplementary DNA" mostró una aglomeración de moléculas y segregación de sales sobre una superficie heterogénea. Los resultados de la caracterización son consistentes con las características electrónicas previamente realizadas. Esta investigación contribuye a dar una base para el desarrollo de un sistema de detección de la tuberculosis basado en la nanotecnología para uso clínico. / Tesis

A confecção da estrutura 3D do óxido de grafeno/L-cisteína foi obtida por meio da sequência de etapas descritas a seguir. Primeiramente, o óxido de grafeno foi sintetizado por meio da oxidação do grafite, utilizando permanganato de potássio e ácido sulfúrico, seguido pela esfoliação em ultrassom. Depois, a preparação do material de grafeno 3D ocorreu por auto-montagem e redução simultânea do óxido de grafeno, usando L-cisteína como agente de modelização e redução. A caracterização do material preparado deu-se por: microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise por adsorção de nitrogênio (BET), espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) e difração de raios-X (DRX). O método de análise empregado foi à cromatografia em fase líquida de alta eficiência com detector UV-Visível (HPLC-UV). Este foi desenvolvido e validado para determinação do triclosan em amostras aquosas. As figuras de mérito avaliadas foram: limite de detecção (LD) e quantificação (LQ), seletividade, linearidade e recuperação. O percentual de triclosan adsorvido em 40 mg de óxido de grafeno/L-cisteína mostrou-se elevado para soluções de triclosan em solvente, 100%; no entanto, para amostras de água de superfície fortificadas com triclosan, foi de 67,8%. A dessorção do triclosan foi praticamente completa em todas as soluções testadas, variando de 94,2% a 98,1%. A reutilização de óxido de grafeno/L-cisteína mostrou-se promissora, uma vez que apresentou adsorção completa mesmo após três ciclos consecutivos de percolação de triclosan em solvente / The construction of the 3D structure of the graphene oxide/L-cysteine was obtained by the sequence of steps described below. Firstly, graphene oxide was synthesized by oxidation of graphite using potassium permanganate and sulfuric acid, followed by ultrasonic esfoliation. Then, the preparation of 3D graphene material occurred by self-assembly and simultaneous reduction of graphene oxide, using L-cysteine as a modeling and reduction agent. The characterization of the prepared material was given by: scanning electron microscopy (SEM), nitrogen adsorption analysis (BET), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffraction (XRD). The analytical method was high performance liquid phase chromatography with UV-Visible detector (HPLC-UV). This was developed and validated for the triclosan determination. The figures of merit evaluated were: limit of detection (LOD) and quantification (LOQ), selectivity, linearity and recovery. The percentage of trichlosan adsorbed in 40 mg of graphene oxide/L-cysteine was shown to be high for solutions of triclosan in solvent, 100%; however, for surface water samples fortified with triclosan, it was 67.8%. Desiccation of triclosan was practically complete in all tested solutions, varying from 94.2% to 98.1%. The reuse of graphene oxide/L-cysteine had shown promising, since it presented complete adsorption even after three consecutive cycles of percolation of triclosan in solvent.

A pirólise de materiais tem sido usada para a produção de produtos de maior interesse, em busca de novas aplicações ou melhores propriedades que seu antecessor. Por exemplo, o tratamento térmico aplicado ao óxido de grafite é usado para a produção de óxido de grafeno reduzido, que apresenta propriedades e estrutura semelhantes ao grafeno, sendo este processo uma alternativa para sua produção em larga escala, com potencial aplicação em uma nova geração de dispositivos eletrônicos e nanocompósitos. Neste trabalho, simulações de dinâmica molecular reativa com o potencial reaxFF foram conduzidas para observar em nível atômico as mudanças estruturais e eventos reativos durante este processo, permitindo a identificação dos mecanismos principais envolvidos e um maior entendimento da dependência das condições de temperatura (de 800 a 3000 K) e pressão (ambiente, 2,5 e 7,7 GPa) usadas com as características do produtos formados. Para uma lâmina de óxido de grafeno isolada e para uma estrutura de óxido de grafite, buscou-se entender o efeito da temperatura e pressão aplicada na qualidade dos produtos formados, que vão desde folhas de óxido de grafeno reduzido até nanocristais de grafite, conforme observado em experimentos. As simulações mostram que o tratamento térmico causou uma conversão de seus grupos orgânicos iniciais (hidroxila/epóxi para carbonila/éter), liberação de moléculas gasosas (H2O, CO2 e H2), criação de defeitos e/ou reconstrução da estrutura grafítica. As reações são intensificadas com aumento da temperatura, e observa-se a presença de grupos oxigenados na estrutura resultante mesmo em altas temperaturas (3000 K). Em pressão ambiente os gases gerados causam a exfoliação das folhas e os grupos remanescentes causam defeitos isolados por toda a estrutura. Porém, em alta pressão (7,7 GPa) estas mantêm-se próximas, inibindo a formação de gases e aumentando a difusão dos grupos orgânicos pela superfície, que levam a formação de rasgos pela estrutura, dividindo as folhas em domínios menores, com grupos funcionais em sua borda e uma região interna praticamente livre de defeitos. Estas observações estão em concordância com experimentos em condições de processamento similares, sendo que uma análise qualitativa e quantitativa detalhada permitiu entender melhor o processo de pirólise. / Pyrolysis can be used toward the conversion of conventional materials into new ones, aiming at an improvement of their properties, making them suitable for specific practical applications. For example, thermal annealing of graphite oxide (GO) can be used for the production of reduced graphene oxide sheets, which exhibit a structure and properties similar to graphene, and it is considered an interesting alternative to large-scale production. In this dissertation, reactive molecular dynamics simulations using the ReaxFF potential were carried out to study the thermal annealing of GO under high pressure. More specifically, to analyze the corresponding structural changes and reactive events at the atomic level, allowing the identification of the main mechanisms responsible for the transformations and a better understanding of the effect of applied temperature (from 800 to 3000 K) and pressure (ambient, 2.5 and 7.7 GPa) on the structural and morphological features of the formed products More specifically, we sought to understand the effect of temperature and pressure applied on graphite oxide on the quality of the formed products, which ranges from defected reduced graphene oxide sheets to graphite nanocrystals, as observed in experimental studies. The simulations show that thermal annealing caused an interconversion of its initial organic groups (hydroxyl/epoxy to carbonyl/ether), release of gaseous molecules (H2O, CO2 and H2), creation of defects and/or reconstruction of the graphitic structure. The reactions are intensified with increase of temperature, and the presence of oxygenated groups in the processed material is observed even at high temperatures. At ambient pressure, the generated gases cause the partial exfoliation of the sheets and the remaining groups appear as isolated defects throughout the structure. However, at the highest pressure (7.7 GPa) the layers become closer, inhibiting the formation of gases and increasing the surface diffusion of the organic groups, which lead to the tearing of the structure, dividing the sheet into smaller domains with functional groups on their edge, and an internal region free of defects. These observations are in agreement with the experiments in same processing conditions, and the detailed qualitative and quantitative analyses brought by the simulations allow a better understanding of the pyrolysis process.

Carbon-dots (C-dots, pontos de carbono) ou Carbon Quantum Dots (CQDs, pontos quânticos de carbono) consistem em uma interessante classe de nanopartículas de carbono, que vêm recebendo grande atenção devido à sua combinação de propriedades como luminescência, excelente biocompatibilidade e dispersabilidade em água. C-dots são nanopartículas quase esféricas, formados por fragmentos de grafeno empilhados, com diâmetros entre 1 à 10 nm, contendo grupos funcionais na superfície. Embora exista um significativo número de estudos experimentais na literatura, ainda há uma ampla discussão sobre os detalhes estruturais destas nanopartículas e seus efeitos nas propriedades óticas apresentadas. Neste trabalho, utilizamos simulações de dinâmica molecular para explorar detalhes da estrutura atômica dos C-dots, propondo estruturas que apresentem características estruturais, morfológicas e de composição conforme observados em experimentos. Para tanto, criamos inicialmente modelos dessas nanopartículas baseados no empilhamento de fragmentos de grafeno funcionalizados nas bordas. Observou-se que após a relaxação estrutural, os fragmentos foram reorientados, levando a um alinhamento turbostrático entre camadas, com espaçamento próximo aos característicos do grafite Em seguida, calculamos a energia de adesão das camadas dos C-dots, para avaliar a estabilidade desses aglomerados, e os resultados mostram que a presença de grupos funcionais oxigenados contribui para uma melhor adesão entre as camadas. Ainda, criamos modelos semelhantes para essas nanopartículas, incluindo átomos próximos as bordas dos nanoflakes utilizando um método hibrido de MC/MD e os resultados mostram reconstrução da superfície devido a formação espontânea de ligações covalentes nas bordas com a presença de pentágonos, hexágonos e defeitos. Usamos também simulações de dinâmica molecular reativa para analisar a formação destas partículas, partindo de fragmentos resultantes da quebra de moléculas orgânicas, conforme observado experimentalmente. Estas simulações mostraram que a estrutura dos C-dots pode ser um pouco mais complexa do que as atualmente propostas, contendo outros tipos de interação entre os nanoflakes de grafeno, que podem afetar significativamente as propriedades do material. / Carbon-dots (C-dots) or Carbon Quantum Dots consist of an interesting class of carbon nanoparticles, which have received great attention due to their combination of properties such as luminescence, excellent biocompatibility and dispersibility in water. C-dots are almost spherical nanoparticles, formed by stacked graphene fragments, with diameters between 1 and 10 nm, containing functional groups on the surface. Although there is a significant number of experimental studies in the literature, there is still a wide discussion about the structural details of these nanoparticles and their effects on the presented optical properties. In this work, we use molecular dynamics simulations to explore details of the atomic structure of C-dots, which are proposed on basis of experimental characterization data available from the literature. We initially created models of these nanoparticles based on the stacking of functionalized graphene fragments at the edges. It was observed that after the structural relaxation, the fragments were reoriented, leading to a turbostratic alignment between layers, with spacing close to the characteristics of the graphite Then, we calculate the adhesion energy of the C-dots layers, to evaluate the stability of these clusters, and the results show that the presence of oxygenated functional groups contributes to a better adhesion between the layers. Furthermore, we have created similar models for these nanoparticles, including atoms near the edges of nanoflakes using a hybrid MC / MD method and the results show the spontaneous surface reconstruction due to the formation of covalent bonds at the edge with the presence of pentagons, hexagons and defects. We also used simulations of reactive molecular dynamics to analyze the initial steps for the formation of these particles, starting from fragments resulting from the breakdown of organic molecules, as observed experimentally. These simulations have shown that the structure of the C-dots may be what more complex than those currently proposed, containing other types of interaction between the graphene fragments, which can significantly affect the properties of the material.

Orientador: Alexandre Reily Rocha / Banca: Marcelo Takeshi Yamashita / Banca: Cedric Rocha Leão / Resumo: A realização experimental do grafeno em 2004 abriu as portas para os estudos de uma nova geração de materiais, estes chamados materiais bidimensionais são a expressão final do que poderíamos pensar em material plano (monocamada) que, eventualmente, podem ser empilhados para formar o bulk. O grafeno oferece uma grande variedade de propriedades físicas, em grande parte, como o resultado da dimensionalidade de sua estrutura, e pelas mesmas razões, materiais como Fosforeno (P), Siliceno (S), Nitreto de Boro hexagonal (hBN), dicalcogenos de metais de transição (TMDC), etc. São muito interessantes para fins teóricos, como para futuras aplicações tecnológicas que podem-se desenvolver a partir deles, como dispositivos de spintrônica e armazenamento. Neste trabalho o estudo desenvolvido são as propriedades eletrônicas dos materiais apresentados acima (grafeno, fosforeno e MoTe 2 ), e além disso, ja que o acoplamento spin-órbita aumenta à medida que o número atômico tambem aumenta, espera-se que este parâmetro desempenhe um papel na estrutura eletrônica, particularmente para os TMDC's. Começamos descrevendo genéricamente esses três sistemas, isto é, para o grafeno, podemos usar uma abordagem tipo tight binding, a fim de encontrar a dispersão de energia para as quase-particulas perto do nível de Fermi (Equação de Dirac). Usando cálculos DFT estudou-se de forma geral as propriedades desses sistemas com a inclusão do espin órbita. Abordou-se cálculos para descrever os efeitos do acoplo s... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The experimental realization of graphene in 2004 opened the gates to the studies of a new generation of materials, these so-called 2 dimensional materials are the nal expression of what we could think of a plane material (monolayer) that eventually can be stacked to form a bulk. Graphene, the wonder material, o ers a large variety of physical properties, in great part, as the result of the dimensionality of its structure, and for the same reasons, materials like phosphorene(P), silicene(S), hexagonal Boron Nitride (hBN), transition metal dichalcogenides(TMDC), etc. are very interesting for theoretical purposes, as for the future technological applications that we can develope from them, such as Spintronics and Storage devices. In this dissertation we theoretically study the electronic properties of the materials presented above (graphene, Phosphorene and MoTe2), and besides that, since the spin-orbit coupling strength increases as the atomic number does, we expect that this paremeter plays a role in the electronic structure, particularly for the TMDC. We start describing generically those three systems using density functional theory including the e ect of spin orbit. We address calculations to describe the e ects of spin orbit on the isolated materials as well as the heterostructures. Finally we also include the possibility of defects in graphene and their possible in uence on the electronic structure of heterostructures / Mestre

A síntese de nanocompósitos de polietileno/nanolâminas de grafeno através de polimerização in situ foi alcançada utilizando o sistema catalítico Cp2ZrCl2/MAO (dicloro bis(ciclopentadienil)zircônioIV)/metilaluminoxano(MAO). Grafite com dimensões nanométricas, previamente tratada com MAO foi adicionada no reator como carga em percentuais que variaram de 1,2 até 20,9% (p/p). A análise de difração de raios-X (DRX) mostrou que os tratamentos térmico e físico empregados preservaram a estrutura das lâminas de grafite. A formação de nanolâminas de grafeno (NG) e dos nanocompósitos foi confirmada por microscopia eletrônica de transmissão (MET) e microscopia de força atômica (AFM). As micrografias de MET mostraram que o polietileno cresce entre as NG, resultando em nanocompósitos intercalados e esfoliados. As propriedades térmicas, dinâmico-mecânicas, mecânicas e elétricas foram investigadas por análise termogravimétrica (TGA), análise dinâmico-mecânica (DMA), resistência à tração e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE), respectivamente. As NG aumentaram a estabilidade térmica do polietileno em 30 °C. Uma leve diminuição na resistência à tração foi verificada com a adição das NG à matriz polimérica. A adição de grafite ao polietileno aumentou o módulo de armazenamento, assim como o valor da temperatura de transição vítrea. A condutividade elétrica apresentou um limite de percolação de 3,8% vol. (8,4% p/p) de NG. Todos os resultados mostraram que o polietileno tornou-se mais rígido e termicamente mais estável e passou de um material isolante para semicondutor na presença das nanolâminas de grafeno. Com o objetivo de estudar outros caminhos para obter grafeno foi estudada a síntese de óxido de grafite (GO) que foi realizada através do protocolo de Staudenmaier. O grafite oxidado foi reduzido nas temperaturas de 600, 700 e 1000 °C. A melhor temperatura de redução foi de 700 °C, pois nessa temperatura a análise de espectroscopia Raman mostrou a presença de grafenos. / The synthesis of polyethylene/graphene nanosheet (PE/GNS) nanocomposites by in situ polymerization was achieved using the catalytic system Cp2ZrCl2/MAO (bis(cyclopentadienyl)zirconium(IV) dichloride)/methylaluminoxane(MAO). Graphite with nano dimensions (GNS), previously treated with MAO, was added into the reactor as filler at percentages from 1.2 to 20.9% (w/w). X-ray diffraction analysis (XRD) showed that the chemical and thermal treatments employed preserved the structure of the graphite sheets. The formation of graphene nanosheets and nanocomposites was confirmed by TEM and AFM. TEM micrographs showed that the polyethylene grew between the graphene nanosheets, giving intercalated and exfoliated graphite nanocomposites. The thermal, dynamic mechanical, mechanical and electrical properties were investigated by thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical analysis (DMA), tensile strength and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), respectively. The GNS increased the thermal stability of polyethylene in 30 °C. A slight decrease in tensile strength was observed with the addition of GNS to the polymer matrix. The addition of graphite to the polyethylene increased the storage modulus, as well as the glass transition temperature. The electrical conductivity showed a percolation threshold of 3.8 vol%. (8.4% w/w) of GNS. All results showed that the polyethylene became stiffer and thermally more stable and it could be transformed from an insulator to a conductor material in the presence of GNS. In order to study other path to obtain graphene, the synthesis of graphite oxide (GO) was performed using the Staudenmaier protocol. The oxidized graphite was reduced at temperatures of 600, 700 and 1000 °C. The best reduction temperature was 700 ° C because Raman spectroscopy analysis showed the presence of graphene.

A confecção da estrutura 3D do óxido de grafeno/L-cisteína foi obtida por meio da sequência de etapas descritas a seguir. Primeiramente, o óxido de grafeno foi sintetizado por meio da oxidação do grafite, utilizando permanganato de potássio e ácido sulfúrico, seguido pela esfoliação em ultrassom. Depois, a preparação do material de grafeno 3D ocorreu por auto-montagem e redução simultânea do óxido de grafeno, usando L-cisteína como agente de modelização e redução. A caracterização do material preparado deu-se por: microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise por adsorção de nitrogênio (BET), espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) e difração de raios-X (DRX). O método de análise empregado foi à cromatografia em fase líquida de alta eficiência com detector UV-Visível (HPLC-UV). Este foi desenvolvido e validado para determinação do triclosan em amostras aquosas. As figuras de mérito avaliadas foram: limite de detecção (LD) e quantificação (LQ), seletividade, linearidade e recuperação. O percentual de triclosan adsorvido em 40 mg de óxido de grafeno/L-cisteína mostrou-se elevado para soluções de triclosan em solvente, 100%; no entanto, para amostras de água de superfície fortificadas com triclosan, foi de 67,8%. A dessorção do triclosan foi praticamente completa em todas as soluções testadas, variando de 94,2% a 98,1%. A reutilização de óxido de grafeno/L-cisteína mostrou-se promissora, uma vez que apresentou adsorção completa mesmo após três ciclos consecutivos de percolação de triclosan em solvente / The construction of the 3D structure of the graphene oxide/L-cysteine was obtained by the sequence of steps described below. Firstly, graphene oxide was synthesized by oxidation of graphite using potassium permanganate and sulfuric acid, followed by ultrasonic esfoliation. Then, the preparation of 3D graphene material occurred by self-assembly and simultaneous reduction of graphene oxide, using L-cysteine as a modeling and reduction agent. The characterization of the prepared material was given by: scanning electron microscopy (SEM), nitrogen adsorption analysis (BET), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffraction (XRD). The analytical method was high performance liquid phase chromatography with UV-Visible detector (HPLC-UV). This was developed and validated for the triclosan determination. The figures of merit evaluated were: limit of detection (LOD) and quantification (LOQ), selectivity, linearity and recovery. The percentage of trichlosan adsorbed in 40 mg of graphene oxide/L-cysteine was shown to be high for solutions of triclosan in solvent, 100%; however, for surface water samples fortified with triclosan, it was 67.8%. Desiccation of triclosan was practically complete in all tested solutions, varying from 94.2% to 98.1%. The reuse of graphene oxide/L-cysteine had shown promising, since it presented complete adsorption even after three consecutive cycles of percolation of triclosan in solvent.

A pirólise de materiais tem sido usada para a produção de produtos de maior interesse, em busca de novas aplicações ou melhores propriedades que seu antecessor. Por exemplo, o tratamento térmico aplicado ao óxido de grafite é usado para a produção de óxido de grafeno reduzido, que apresenta propriedades e estrutura semelhantes ao grafeno, sendo este processo uma alternativa para sua produção em larga escala, com potencial aplicação em uma nova geração de dispositivos eletrônicos e nanocompósitos. Neste trabalho, simulações de dinâmica molecular reativa com o potencial reaxFF foram conduzidas para observar em nível atômico as mudanças estruturais e eventos reativos durante este processo, permitindo a identificação dos mecanismos principais envolvidos e um maior entendimento da dependência das condições de temperatura (de 800 a 3000 K) e pressão (ambiente, 2,5 e 7,7 GPa) usadas com as características do produtos formados. Para uma lâmina de óxido de grafeno isolada e para uma estrutura de óxido de grafite, buscou-se entender o efeito da temperatura e pressão aplicada na qualidade dos produtos formados, que vão desde folhas de óxido de grafeno reduzido até nanocristais de grafite, conforme observado em experimentos. As simulações mostram que o tratamento térmico causou uma conversão de seus grupos orgânicos iniciais (hidroxila/epóxi para carbonila/éter), liberação de moléculas gasosas (H2O, CO2 e H2), criação de defeitos e/ou reconstrução da estrutura grafítica. As reações são intensificadas com aumento da temperatura, e observa-se a presença de grupos oxigenados na estrutura resultante mesmo em altas temperaturas (3000 K). Em pressão ambiente os gases gerados causam a exfoliação das folhas e os grupos remanescentes causam defeitos isolados por toda a estrutura. Porém, em alta pressão (7,7 GPa) estas mantêm-se próximas, inibindo a formação de gases e aumentando a difusão dos grupos orgânicos pela superfície, que levam a formação de rasgos pela estrutura, dividindo as folhas em domínios menores, com grupos funcionais em sua borda e uma região interna praticamente livre de defeitos. Estas observações estão em concordância com experimentos em condições de processamento similares, sendo que uma análise qualitativa e quantitativa detalhada permitiu entender melhor o processo de pirólise. / Pyrolysis can be used toward the conversion of conventional materials into new ones, aiming at an improvement of their properties, making them suitable for specific practical applications. For example, thermal annealing of graphite oxide (GO) can be used for the production of reduced graphene oxide sheets, which exhibit a structure and properties similar to graphene, and it is considered an interesting alternative to large-scale production. In this dissertation, reactive molecular dynamics simulations using the ReaxFF potential were carried out to study the thermal annealing of GO under high pressure. More specifically, to analyze the corresponding structural changes and reactive events at the atomic level, allowing the identification of the main mechanisms responsible for the transformations and a better understanding of the effect of applied temperature (from 800 to 3000 K) and pressure (ambient, 2.5 and 7.7 GPa) on the structural and morphological features of the formed products More specifically, we sought to understand the effect of temperature and pressure applied on graphite oxide on the quality of the formed products, which ranges from defected reduced graphene oxide sheets to graphite nanocrystals, as observed in experimental studies. The simulations show that thermal annealing caused an interconversion of its initial organic groups (hydroxyl/epoxy to carbonyl/ether), release of gaseous molecules (H2O, CO2 and H2), creation of defects and/or reconstruction of the graphitic structure. The reactions are intensified with increase of temperature, and the presence of oxygenated groups in the processed material is observed even at high temperatures. At ambient pressure, the generated gases cause the partial exfoliation of the sheets and the remaining groups appear as isolated defects throughout the structure. However, at the highest pressure (7.7 GPa) the layers become closer, inhibiting the formation of gases and increasing the surface diffusion of the organic groups, which lead to the tearing of the structure, dividing the sheet into smaller domains with functional groups on their edge, and an internal region free of defects. These observations are in agreement with the experiments in same processing conditions, and the detailed qualitative and quantitative analyses brought by the simulations allow a better understanding of the pyrolysis process.