Nanomateriais baseados em paládio (Pd) desempenham um papel central em catálise. Como suas prorpiedades catalíticas dependem de seus diversos parâmetros físico e químicos, a sua síntese controlada tem grande apelo com contexto do controle e otimização de performances. Nesse trabalho desenvolvemos metodologias simples, versáteis e ambientalmente amigáveis para a preparação de nanoestruturas de Pd com tamanho e forma controlada, seguida pelo seu uso como materiais de partida para a preparação de estruturas bimetálicas contendo ouro (Au) e platina (Pt). Espeficificamente, focamos em nanopartícuals (NPs) de Pd na forma de moitas, prisma e cubo côncavos. Com respeito aos materiais bimetálicos, desenvolvemos estruturas do tipo core-shell, tadpoles, e partículas de Au e Pt decoradas sobre as NPs de Pd. Seguda da síntese, estudamos a performance catalítica dos materiais obtidos frente a hidrogenação do p-nitrofenol (p-NPh) e a oxidação do p-aminotiofenol (PATP) mediada pela ressonância plasmônica de superfície (SPR). Nossos resultados mostraram que as atividades foram dependentes dos parâmetros físicos e químicos que definem as nanoestruturas e que materiais controlados tem desempenho superior ao material comercial. Acreditamos que os resultados desenvolvidos nessa tese contribuem para os mecanismos que governam a síntese controlada de NPs baseadas em Pd, Au e Pt, que pode servir como base para a descoberta de nanomateriais com maior complexidade estrutural e composicional visando aplicações em catálise e plasmônica. / Palladium-based (Pd) nanomaterials play a central role in catalysis. As the catalytic properties of thse materials depend on its various physical and chemical parameters, its controlled synthesis has great appeal in order to control and optimize performances. In this work, we developed facile, versatile and environmentally friendly methodologies for the preparation of Pd nanostructures of controlled sizes and shapes, followed by their use as starting materials for the preparation of bimetallic structures containing gold (Au) and platinum (Pt). Specifically, we focused on Pd nanoparticles (NPs) in the form of bushes, prisms and concave cubes. With respect to bimetallic materials, we have developed core-shell structures, tadpoles, and Au and Pt particles decorated on the Pd NPs. Following their synthestic development, we studied the catalytic performance of the obtained materials towards the hydrogenation of p-nitrophenol (p-NP) and the oxidation of p-aminothiophenol (PATP) mediated by surface plasmon resonance (SPR) excitation. Our results showed that the activities were dependent on the physical and chemical parameters that define the nanostructures and that controlled materials performed better than the commercial conterpart. Overall, we believe that the results developed in this thesis contribute to the mechanisms governing the controlled synthesis of NPs based on Pd, Au and Pt, which can serve as a basis for the discovery of nanomaterials with greater structural and compositional complexity for catalytic and plasmonic applications.

Dentre os principais avanços na área de ciência ou tecnologia dos materiais podemos ressaltar as atuais técnicas de produção, manipulação e análise de estruturas de tamanho muito reduzido, os quais possuem propriedades físicas (magnéticas, eletrônicas e óticas) diferentes das apresentadas pelos mesmos materiais em estruturas maiores. Nanopartículas (NPs) de metais nobres, principalmente ouro e prata, estão sendo utilizadas e incorporadas em diversas tecnologias que tiram proveito de suas características óticas ou condutivas Neste trabalho apresentamos uma metodologia de preparação de NPs de metais nobres, com a possibilidade de incorporá-las em um material dielétrico. As amostras, produzidas a partir da técnica de agregação gasosa, foram preparadas em um gerador de NPs, construído em um dos canhões de um sistema de magnetron sputtering comercial (AJA Internacional). No gerador, átomos são removidos do alvo e termalizados pelo fluxo do gás de trabalho, se condensando na forma de NPs. As NPs são extraídas do gerador aerodinamicamente e seguem em direção ao substrato. Utilizando um dos outros canhões do nosso sistema de sputtering podemos codepositar as NPs produzidas em uma matriz dielétrica ou metálica. Podemos também depositar camadas de filmes finos sobre o material produzido pelo gerador de NPs. As amostras de nanopartículas de ouro e prata produzidas foram caracterizadas a partir de técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), retroespalhamento Rutheford (RBS), espectrofotometria de UV-Visível e microscopia ótica em campo próximo (SNOM). A partir das imagens de MEV, podemos inferir a presença da matriz dielétrica a partir da separação das NPs e essa presença pode ser confirmada pela análise dos resultados de RBS. Por fim a análise do espectro de absorbância das amostras em conjunto com as imagens de SNOM demonstrou o comportamento plasmônico das amostras produzidas, sobretudo das NPs codepositadas em matriz dielétrica. / In the midst of main advances in material science and technology we can highlight the new techniques of preparation, manipulation and analyses of structures of very small size. They have physical properties (magnetic, electronic and optical) different from those presented by the same material, but in bigger dimension. Noble metal nanoparticles, mainly gold and silver, are incorporated into various technologies in order to take advantage of their optical or electric properties. In this work, we present a technique to produce noble metal nanoparticles by a physical method that also permits to imbed them in a dielectric material matrix. The samples, produced using the gas aggregation technique, were prepared in a nanoparticle gun, developed on one of the guns of a commercial magnetron sputtering system (AJA International). In the nanoparticles generator, atoms are removed from the target and thermalized by the flow of the sputtering working gas, and they are also condensed to form the nanoparticles. The nanoparticles are extracted from the generator aerodynamically and then they proceed to the substrate. Using another gun of the sputtering system we can deposit the nanoparticles produced in a dielectric or metallic matrix. We can also deposit under and capping layers of thin films on the nanoparticles layer produced. The samples of gold and silver nanoparticles produced were characterized by scanning electron microscopy (SEM), Rutherford backscattering analysis (RBS), UV-Visible spectrophotometry and near field optical microscopy (SNOM). In the SEM images, from the distribution and morphology of the nanoparticles it was possible infer the presence of the dielectric matrix, and this was also confirmed by the RBS measurements. Finally, absorbance spectrum of the samples together with the SNOM images have demonstrated the plasmonic character of the samples produced, specially for the NPs co-deposited in the dielectric matrix.

Esse trabalho de dissertação de mestrado teve como principal objetivo obter amostras do sistema Pb1-xLaxTiO3(PLT) com x = 0,10, 0,15 e 0,20 e, a partir desse material, produzir amostras cerâmicas e filmes finos nanoestruturados e caracterizar suas propriedades estruturais e elétricas. As nanopartículas para a produção das cerâmicas e a solução para a deposição de filmes finos foram obtidas através do método dos precursores poliméricos. As amostras cerâmicas foram sinterizadas através do método convencional e do método de prensagem e aquecimento simultâneo. A caracterização estrutural foi realizada através das técnicas de difração de raios X (DRX), espectroscopia Raman e espectroscopia de absorção de raios X. Através das técnicas de DRX e espectroscopia Raman foi possível observar os processos de transição de fase estrutural em função da quantidade de lantânio e do tamanho de partícula. Amostras calcinadas a 400°C, que foram caracterizadas como amorfas, apresentam um espectro de absorção de raios X diferente das demais amostras caracterizadas como cristalinas. As amostras cerâmicas sinterizadas em alta temperatura e a pressão atmosférica apresentaram um comportamento microestrutural (grãos micrométricos) e elétrico (ferroelétrico normal) semelhante ao das amostras preparadas através do método de reação do estado sólido. Por outro lado, a amostra cerâmica com x = 0,20 preparada em alta pressão (7,4 GPa) e a temperatura ambiente apresentou somente grãos nanométricos. A manutenção dos grãos em uma escala nanométrica fez com que essa amostra cerâmica apresentasse um comportamento característico de um material ferroelétrico relaxor ao passo que a mesma amostra preparada através do método de síntese convencional (grãos micrométricos) apresentou um comportamento típico de um material ferroelétrico normal. / The main objective of this work was to obtain ferroelectric materials of Pb1-xLaxTiO3 (PLT) composition, with x = 0.10, 0.15 and 0.20, in nanometer scale in order to prepare nanostructure ceramic and thin films and characterize their structural and electric properties. The nanoparticles used to prepared ceramic samples and the solution used to prepared thin films was obtained using the conventional high temperature sintering method and by using high pressure and high temperature simultaneously. The structural modification due to particle size and lanthanum amount was followed by X-Ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and X-Ray absorption techniques. The transition process was followed from XRD pattern and from the Raman spectra. Samples calcined at 400 oC that were characterized as amorphous present different X-ray absorption spectra. The ceramic samples sinterized at high temperature and ambient pressure presented a microstructure (microsized grains) and electrical properties (normal ferroelectric) similar to that observed in the same samples obtained from the solid-state reaction method. On the other hand, the ceramic sample with x = 0.20 prepared at high pressure and at room temperature formed only by nanoparticles present a behavior characteristic of a relaxor ferroelectric material showing the influence of the grain size on the electrical properties of these samples.

O aluminato de magnésio (MgAl2O4; espinélio) apresenta propriedades mecânicas superiores quando comparado aos materiais cerâmicos tradicionais, tais como elevados módulo elástico (273 GPa) e resistência à flexão (110 MPa), associadas à baixa densidade (3,58 g/cm3), baixo índice de reflexão (1,736), índice de transmissão óptica elevado no espectro visível e espectros no infravermelho com comprimentos de onda médios (0,2 - 5,5 µm), além da ausência de anisotropia óptica, devido à sua estrutura cúbica. No entanto, MgAl2O4 é utilizado principalmente como material refratário, apesar de possuir grande potencial em aplicações que exijam blindagem transparente leve. Nanopartículas de espinélio já foram preparadas anteriormente por diferentes métodos. Contudo, o domínio de um processo industrial contínuo, escalonável e versátil para a preparação de MgAl2O4 dopado ainda permanece como um desafio para expandir as aplicações deste material. Dentre as vias de síntese habituais utilizadas para produzir nano-óxidos, a Pirólise de Spray gerado por Pulverização Ultrassônica (PSPU) tem sido utilizada com sucesso para sintetizar nanopartículas esféricas, nanofios, nanofitas e nanovaretas. Neste contexto, o presente trabalho confirma o potencial da PSPU para produzir espinélio dopado em um processo contínuo. A influência dos parâmetros envolvidos na síntese do aluminato de magnésio por meio desta técnica, assim como o efeito da presença do cálcio e do fluoreto de lítio sobre a morfologia e a estrutura das partículas, foram investigadas por fluorescência de raios X, difração de raios X, espectroscopia no infravermelho, granulometria por difração laser, microscopia eletrônica de varredura e adsorção de N2. Finalmente, as propriedades mecânicas do produto final sinterizado foram avaliadas visando estabelecer uma correlação com as condições de síntese. O processo de síntese de aluminato de magnésio por meio do sistema de PSPU desenvolvido nas dependências do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo demostrou-se eficaz para a produção de amostras de aluminato de magnésio puro após a etapa de sinterização, desde que respeitada a estequiometria do composto após a etapa de síntese. Por meio desta técnica, esferas micrométricas de MgAl2O4 dopadas com Ca(NO3)2 e LiF, apresentando tamanhos médios de cristalito na faixa de 3,5 - 7,0 nm e áreas de superfície específicas de 20 a 40 m2/g, foram produzidas como aglomerados esféricos de aproximadamente 2,5 µm. Durante o processo, as partículas permaneceram a temperaturas elevadas durante um curto período de tempo (de 35 a 70 segundos), permitindo a estabilidade de fases e aumento do tamanho de grãos limitado. Destaca-se ainda que as condições de síntese e/ ou incorporação de aditivos devem ser ajustados para a obtenção de amostras com maior área de superfície específica após a PSPU, o que acarretará em um produto final sinterizado com maior teor de densificação e dureza. Dessa forma, os melhores resultados foram obtidos a maiores temperaturas de pirólise e com incorporação do aditivo LiF, demonstrado a necessidade de futuros estudos mais aprofundados a respeito dos limites máximos destas variáveis para a obtenção de um produto final otimizado. Finalmente, as propriedades balísticas das amostras também foram analisadas através da aplicação de fórmulas empíricas para avaliação da fragilidade (B) e da habilidade do material dissipar energia balística (critério D), onde se observou que as amostras sintetizadas sem aditivos apresentaram boa concordância em relação aos valores reportados na literatura para a alumina. A amostra aditivada com LiF, no entanto, apresentou um incremento no critério D de cerca de 43% em relação à alumina com 99,7% de pureza, evidenciando o efeito deste aditivo nas propriedades balísticas do aluminato de magnésio produzido pela PSPU. / Magnesium aluminate (MgAl2O4; spinel) possesses superior mechanical properties when compared to traditional ceramic materials, such as high elastic modulus (273 GPa) and flexural strength (110 MPa), associated with low density (3.58 g/cm3), low reflection index (1.736), high optical transmission in visible and mid-wavelength infrared spectra (0.2 - 5.5 µm), and no optical anisotropy due to its cubic structure. However, MgAl2O4 is primarily used as a refractory material, despite its great potential as a transparent lightweight armor. Spinel nanoparticles have been previously prepared by different methods. Nevertheless, a continuous, scalable, and versatile process for the preparation of doped MgAl2O4 still remains a challenge for expanding applications. Among the usual synthesis routes used to produce nano-oxides, Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) has been successfully employed to synthesize nanoparticles as spheres, nanowires, nanoribbons and nanorods. In this context, the present work confirms the potential of USP to produce doped spinel in a continuous setup. The influence of the parameters involved in the synthesis of magnesium aluminate through this technique, as well as the effect of the presence of calcium and lithium fluoride on the morphology and structure of the particles, were investigated by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, laser diffraction for particle size analysis, scanning electron microscopy and N2 adsorption. Finally, the mechanical properties of the sintered product were evaluated in order to establish a correlation with the synthesis conditions. The magnesium aluminate synthesis process through the USP system developed at the Department of Metallurgical and Materials Engineering of the Polytechnic School of the University of São Paulo was effective for the production of pure magnesium aluminate samples after the sintering stage, if the stoichiometry of the compound after the synthesis step is observed. Through this technique, micrometric spheres of Ca(NO3)2 and LiF doped MgAl2O4 with crystallite size in the range from 3.5 - 7.0 nm and specific surface areas varying from 20 to 40 m2/g, were produced as spherical agglomerates of approximately 2.5 µm. During the process, the particles stay at high temperatures for a short period (from 35 to 70 seconds), allowing phase stability and limited coarsening. It should also be noted that the synthesis conditions and / or the incorporation of additives must be adjusted in order to obtain samples with greater specific surface area after the USP, which will result in a sintered final product with a higher densification and hardness. Therefore, the best results were obtained at higher pyrolysis temperatures and with the incorporation of LiF additive, demonstrating the need for further studies on the maximum limits of these variables to obtain an optimized final product. Finally, the ballistic properties of the samples were also analyzed by the application of empirical formulas to evaluate the brittleness (B) and the ability of the material to dissipate ballistic energy (criterion D), where it was observed that the samples synthesized without additives showed good agreement with the values reported in the literature for alumina. The sample containing LiF additive, however, showed an increase in the D criterion of about 43% in relation to alumina with 99.7% purity, evidencing the effect of this additive on the ballistic properties of magnesium aluminate produced by USP.

Essa tese visa o desenvolvimento de metodologias simples, eficazes, versáteis e ambientalmente amigáveis para se obter nanomateriais metálicos com controle fino sobre sua forma, composição e estrutura (interior sólido ou vazio) para aplicações em catálise. Em especial, temos interesse no desenvolvimento de nanoestruturas ocas esféricas (nanocascas) compostas por prata-ouro (AgAu), prata-paládio (AgPd) e prata platina (AgPt). Essas nanocascas foram obtidas através da reação de substituição galvânica entre esferas de Ag e íons AuCl4-, PdCl42- ou PtCl62-, respectivamente. Como a reação de substituição galvânica permite não apenas o controle sobre a composição destes sistemas, mas também a obtenção de interiores vazios, esta estratégia representa uma alternativa promissora para a obtenção de nanomateriais apresentando características controláveis e atrativas para aplicações catalíticas. Diante dessas qualidades, esse projeto focou em aplicações para reações orgânicas de redução e acoplamento. Foi realizada uma investigação, de maneira sistemática, como a estrutura e composição dos nanomateriais metálicos produzidos influenciam a sua atividade catalítica, mostando que as atividades foram fortemente dependentes da composição e estrutura, abrindo a possibilidade para o planejamento de nanocatalisadores com atividades catalíticas controladas para uma transformação de interesse. / This thesis aims at developing facile, efficient, versatile, and environmentally friendly methodologies to obtain metallic nanomaterials with controlled shapes, compositions and structure (solid or hollow interiors) for applications in catalysis. In particular, we focused on hollow nanospheres (nanoshells) composed of silver-gold (AgAu), silver-palladium (AgPd), and silver-platinum (AgPt). These nanoshells were obtained by galvanic replacement reaction between Ag nanosphere and AuCl4-, PdCl42- or PtCl62-, respectively. The galvanic replacement reaction not only allows control over the composition of these systems, but also to obtain hollow interiors. Therefore, this strategy is a very promising alternative for obtaining nanomaterials with controllable features attractive for catalytic applications. In this case, we investigated applications towards reduction and coupling transformations. A systematic investigation was carried out regarding how the structures and compositions of the produced nanoshells influenced their catalytic performance. Our results showed that the activities were strongly dependent on the composition and structure, opening a range of possibility for designing nanocatalysts with desired catalytic activities for a target transformation.

Asfaltenos são constituídos de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos que fazem parte de uma das classes de compostos químicos mais poluentes e carcinogênicos. São bem conhecidos por formarem inscrutações que obstruem tubulações, podendo até levar ao fechamento do poço. Estes podem constituir até 20% do petróleo, que ainda remanesce o principal recurso de energia usado em nosso planeta. Atualmente são convertidos em asfalto e coque durante o processo de refino, através de destilação destrutiva, exigindo altas temperaturas e emitindo compostos de enxofre na atmosfera. No entanto, sua conversão em matérias-primas mais valiosas e produtos menos poluentes, por exemplo, por craqueamento fotocatalítico ou oxidativo poderia ser uma opção mais limpa e econômica. A nanotecnologia vem sendo incorporada nas pesquisas com petróleo pelas contribuições positivas que acrescenta tanto do ponto de vista econômico como ambiental, assim como através do melhoramento e recuperação de óleos pesados. Os nanomateriais em geral possuem a vantagem de ter maior grau de dispersão e propriedades diferenciadas em relação ao bulk. Neste trabalho estudaram-se as interações entre os asfaltenos e diferentes nanomateriais com propriedades magnéticas, ópticas e eletrônicas extraordinárias, como as nanopartículas de óxido de ferro (Nmag), os híbridos de nanopartículas de ouro com óxido de grafeno reduzido (RGO@AuNP) e os nanobastões de ouro (AuNRs) respectivamente. As interações entre asfaltenos e Nmags com diferentes ligantes passivantes (C8H20O4Si e C6H17NO3Si) foram feitas através da construção de isotermas e experimentos de adsorção,revelando os tipos de ligação que ocorrem entre esses materiais, cobertura e a capacidade adsortiva. O recobrimento da nanopartícula e a concentração de asfalteno influenciam na adsorção, sendo a interação mais forte com as Nmags livres, indicando coordenação do ferro nos substituintes dos anéis aromáticos do asfalteno, tendo cobertura por monocamada. As Nmags funcionalizadas interagem por forças intermoleculares com os asfaltenos, apresentando cobertura por multicamadas. Em altas concentrações de asfalteno em tolueno, a adsorção foi mais efetiva para as Nmags funcionalizadas, pois a coordenação com o ferro é dificultada devido a formação de micela reversa, prevalecendo as interações hidrofóbicas. Houve uma drástica redução na temperatura de craqueamento dos asfaltenos na presença das Nmags, em mais de 100ºC, demonstrando seu potencial na catálise oxidativa de asfaltenos. As interações dos materiais RGO@AuNP e AuNR em filmes com asfalteno foram investigadas por microscopia hiperespectral de campo escuro. Como resultado observou-se o deslocamento e o alargamento da banda de espalhamento no espectro eletrônico, indicando a ocorrência de transferência de carga entre as espécies. A partir disso, realizaram-se fotocatálises com o RGO@AuNP à temperatura ambiente sob luz visível, utilizando o 9-antraldeído como composto modelo para o asfalteno. A reação levou à formação de endoperóxidos cíclicos, que sofreram clivagens com 90% de rendimento. Por ultimo, realizou-se um estudo mecanístico utilizando um sensor fluorogênico de espécies reativas de oxigênio (ROS) para avaliar a atividade fotocatalítica do RGO@AuNP. Mostrou-se que ocorrem transferências de elétrons fotoinduzidas da AuNP para o RGO em uma escala de tempo de ~11 fs, com eficiência quântica de ~35% e que radicais superóxidos (O2•-) podem ser gerados pelos efeitos sinérgicos da fotoexcitação do híbrido. / Asphaltenes are composed by polycyclic aromatic hydrocarbons that belong to one of the most polluting and carcinogenic chemical classes. They are well known for forming hard scales that obstruct pipelines and may even lead to the well shut down. They can constitute up to 20% of petroleum, which still remains the main source of energy used in our planet. At the present time, asphaltenes are converted into asphalt and coke by destructive distillation, in spite of the high cost and polluting technology involved, which employs high temperatures and releases sulfur compounds into the atmosphere. However, their conversion into more valuable raw materials, for instance, by photocatalytic or oxidative cracking using suitable catalysts, would be a better, more economic option. In recent years, nanotechnology has been incorporated into oil research, opening new economic and environmental perspectives, including the improvement and recovery of heavy oils. In general, nanomaterials have the advantage of being better dispersed and exhibiting differentiated properties in relation to the bulk. In this study the interactions between asphaltenes and different nanomaterials exhibiting remarkable magnetic, optical, and electronic properties, such as iron oxide nanoparticles (Nmag), hybrids of gold nanoparticles with reduced graphene oxide (RGO@AuNP) and the gold nanorods (AuNRs) respectively were investigated. The interactions between asphaltenes and Nmags with different surface-passivating ligands (C8H20O4Si and C6H17NO3Si) were made by performing isotherms curves and adsorption tests, revealing the types of binding between these materials, their coverage and the adsorptive capacity. The nanoparticle coating and the asphaltene concentration influence the adsorption. Theinteraction was stronger using the free Nmag, indicating coordination of the iron with the aromatic rings of the asphaltene, having a monolayer cover. Functionalized Nmags interact by intermolecular forces with asphaltenes, having a multilayer coverage. At high concentrations of asphaltene in toluene, the adsorption was more effective for the functionalized Nmags, since the coordination with the iron was hampered due to the formation of reverse micelle, prevailing the hydrophobic interactions. There was a drastic reduction in the asphaltene cracking temperature in the presence of Nmags, bigger than 100ºC, showing its potential on the oxidative catalysis of asphaltenes. The interactions of RGO@AuNP and AuNR materials with asphaltene films were investigated by dark field hyperspectral microscopy. As a result there was a shift and a broadening of the band in the electronic spectrum, indicating the occurrence of charge transfer between the species. From this, photocatalysis were performed with the RGO@AuNP, at room temperature, under visible light, using 9-antraldehyde (9-ATA) as a model compound for asphaltene. The reaction leads to the formation of cyclic endoperoxides that undergo further reactions, resulting in their cleavage, with 90% yield for the 9-ATA degradation. Finally, a mechanistic study was carried out using a fluorogenic sensor of reactive oxygen species to evaluate the photocatalytic activity of RGO@AuNP. It was showed that photoinduced electron transfer from AuNP to RGO can occur in ~11 fs time scale, with a quantum yield of ~35%, and superoxide radicals anions (O2•-) can be generated by synergistic effects after the hybrid photoexcitation.

Essa tese visa o desenvolvimento de metodologias simples, eficazes, versáteis e ambientalmente amigáveis para se obter nanomateriais metálicos com controle fino sobre sua forma, composição e estrutura (interior sólido ou vazio) para aplicações em catálise. Em especial, temos interesse no desenvolvimento de nanoestruturas ocas esféricas (nanocascas) compostas por prata-ouro (AgAu), prata-paládio (AgPd) e prata platina (AgPt). Essas nanocascas foram obtidas através da reação de substituição galvânica entre esferas de Ag e íons AuCl4-, PdCl42- ou PtCl62-, respectivamente. Como a reação de substituição galvânica permite não apenas o controle sobre a composição destes sistemas, mas também a obtenção de interiores vazios, esta estratégia representa uma alternativa promissora para a obtenção de nanomateriais apresentando características controláveis e atrativas para aplicações catalíticas. Diante dessas qualidades, esse projeto focou em aplicações para reações orgânicas de redução e acoplamento. Foi realizada uma investigação, de maneira sistemática, como a estrutura e composição dos nanomateriais metálicos produzidos influenciam a sua atividade catalítica, mostando que as atividades foram fortemente dependentes da composição e estrutura, abrindo a possibilidade para o planejamento de nanocatalisadores com atividades catalíticas controladas para uma transformação de interesse. / This thesis aims at developing facile, efficient, versatile, and environmentally friendly methodologies to obtain metallic nanomaterials with controlled shapes, compositions and structure (solid or hollow interiors) for applications in catalysis. In particular, we focused on hollow nanospheres (nanoshells) composed of silver-gold (AgAu), silver-palladium (AgPd), and silver-platinum (AgPt). These nanoshells were obtained by galvanic replacement reaction between Ag nanosphere and AuCl4-, PdCl42- or PtCl62-, respectively. The galvanic replacement reaction not only allows control over the composition of these systems, but also to obtain hollow interiors. Therefore, this strategy is a very promising alternative for obtaining nanomaterials with controllable features attractive for catalytic applications. In this case, we investigated applications towards reduction and coupling transformations. A systematic investigation was carried out regarding how the structures and compositions of the produced nanoshells influenced their catalytic performance. Our results showed that the activities were strongly dependent on the composition and structure, opening a range of possibility for designing nanocatalysts with desired catalytic activities for a target transformation.

Asfaltenos são constituídos de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos que fazem parte de uma das classes de compostos químicos mais poluentes e carcinogênicos. São bem conhecidos por formarem inscrutações que obstruem tubulações, podendo até levar ao fechamento do poço. Estes podem constituir até 20% do petróleo, que ainda remanesce o principal recurso de energia usado em nosso planeta. Atualmente são convertidos em asfalto e coque durante o processo de refino, através de destilação destrutiva, exigindo altas temperaturas e emitindo compostos de enxofre na atmosfera. No entanto, sua conversão em matérias-primas mais valiosas e produtos menos poluentes, por exemplo, por craqueamento fotocatalítico ou oxidativo poderia ser uma opção mais limpa e econômica. A nanotecnologia vem sendo incorporada nas pesquisas com petróleo pelas contribuições positivas que acrescenta tanto do ponto de vista econômico como ambiental, assim como através do melhoramento e recuperação de óleos pesados. Os nanomateriais em geral possuem a vantagem de ter maior grau de dispersão e propriedades diferenciadas em relação ao bulk. Neste trabalho estudaram-se as interações entre os asfaltenos e diferentes nanomateriais com propriedades magnéticas, ópticas e eletrônicas extraordinárias, como as nanopartículas de óxido de ferro (Nmag), os híbridos de nanopartículas de ouro com óxido de grafeno reduzido (RGO@AuNP) e os nanobastões de ouro (AuNRs) respectivamente. As interações entre asfaltenos e Nmags com diferentes ligantes passivantes (C8H20O4Si e C6H17NO3Si) foram feitas através da construção de isotermas e experimentos de adsorção,revelando os tipos de ligação que ocorrem entre esses materiais, cobertura e a capacidade adsortiva. O recobrimento da nanopartícula e a concentração de asfalteno influenciam na adsorção, sendo a interação mais forte com as Nmags livres, indicando coordenação do ferro nos substituintes dos anéis aromáticos do asfalteno, tendo cobertura por monocamada. As Nmags funcionalizadas interagem por forças intermoleculares com os asfaltenos, apresentando cobertura por multicamadas. Em altas concentrações de asfalteno em tolueno, a adsorção foi mais efetiva para as Nmags funcionalizadas, pois a coordenação com o ferro é dificultada devido a formação de micela reversa, prevalecendo as interações hidrofóbicas. Houve uma drástica redução na temperatura de craqueamento dos asfaltenos na presença das Nmags, em mais de 100ºC, demonstrando seu potencial na catálise oxidativa de asfaltenos. As interações dos materiais RGO@AuNP e AuNR em filmes com asfalteno foram investigadas por microscopia hiperespectral de campo escuro. Como resultado observou-se o deslocamento e o alargamento da banda de espalhamento no espectro eletrônico, indicando a ocorrência de transferência de carga entre as espécies. A partir disso, realizaram-se fotocatálises com o RGO@AuNP à temperatura ambiente sob luz visível, utilizando o 9-antraldeído como composto modelo para o asfalteno. A reação levou à formação de endoperóxidos cíclicos, que sofreram clivagens com 90% de rendimento. Por ultimo, realizou-se um estudo mecanístico utilizando um sensor fluorogênico de espécies reativas de oxigênio (ROS) para avaliar a atividade fotocatalítica do RGO@AuNP. Mostrou-se que ocorrem transferências de elétrons fotoinduzidas da AuNP para o RGO em uma escala de tempo de ~11 fs, com eficiência quântica de ~35% e que radicais superóxidos (O2•-) podem ser gerados pelos efeitos sinérgicos da fotoexcitação do híbrido. / Asphaltenes are composed by polycyclic aromatic hydrocarbons that belong to one of the most polluting and carcinogenic chemical classes. They are well known for forming hard scales that obstruct pipelines and may even lead to the well shut down. They can constitute up to 20% of petroleum, which still remains the main source of energy used in our planet. At the present time, asphaltenes are converted into asphalt and coke by destructive distillation, in spite of the high cost and polluting technology involved, which employs high temperatures and releases sulfur compounds into the atmosphere. However, their conversion into more valuable raw materials, for instance, by photocatalytic or oxidative cracking using suitable catalysts, would be a better, more economic option. In recent years, nanotechnology has been incorporated into oil research, opening new economic and environmental perspectives, including the improvement and recovery of heavy oils. In general, nanomaterials have the advantage of being better dispersed and exhibiting differentiated properties in relation to the bulk. In this study the interactions between asphaltenes and different nanomaterials exhibiting remarkable magnetic, optical, and electronic properties, such as iron oxide nanoparticles (Nmag), hybrids of gold nanoparticles with reduced graphene oxide (RGO@AuNP) and the gold nanorods (AuNRs) respectively were investigated. The interactions between asphaltenes and Nmags with different surface-passivating ligands (C8H20O4Si and C6H17NO3Si) were made by performing isotherms curves and adsorption tests, revealing the types of binding between these materials, their coverage and the adsorptive capacity. The nanoparticle coating and the asphaltene concentration influence the adsorption. Theinteraction was stronger using the free Nmag, indicating coordination of the iron with the aromatic rings of the asphaltene, having a monolayer cover. Functionalized Nmags interact by intermolecular forces with asphaltenes, having a multilayer coverage. At high concentrations of asphaltene in toluene, the adsorption was more effective for the functionalized Nmags, since the coordination with the iron was hampered due to the formation of reverse micelle, prevailing the hydrophobic interactions. There was a drastic reduction in the asphaltene cracking temperature in the presence of Nmags, bigger than 100ºC, showing its potential on the oxidative catalysis of asphaltenes. The interactions of RGO@AuNP and AuNR materials with asphaltene films were investigated by dark field hyperspectral microscopy. As a result there was a shift and a broadening of the band in the electronic spectrum, indicating the occurrence of charge transfer between the species. From this, photocatalysis were performed with the RGO@AuNP, at room temperature, under visible light, using 9-antraldehyde (9-ATA) as a model compound for asphaltene. The reaction leads to the formation of cyclic endoperoxides that undergo further reactions, resulting in their cleavage, with 90% yield for the 9-ATA degradation. Finally, a mechanistic study was carried out using a fluorogenic sensor of reactive oxygen species to evaluate the photocatalytic activity of RGO@AuNP. It was showed that photoinduced electron transfer from AuNP to RGO can occur in ~11 fs time scale, with a quantum yield of ~35%, and superoxide radicals anions (O2•-) can be generated by synergistic effects after the hybrid photoexcitation.

"In the past decade nanomaterials have attracted the interest of scientists and engineers all over the world due to their unique properties. Through their devoted experimental efforts, limited advances have been made on the synthesis of nanomaterials, the integration of nanomaterials into the structures of larger scales, and the property study of nanomaterials to explore possible applications. Despite the huge amount of money, resources, and effort invested in nanomaterials, several challenges still remain as obstacles on the way towards the successful large scale use of nanomaterials to benefit human life and society. For example, the need for low-cost, robust, and highly productive manufacturing methods and the demand for efficient integration of nanomaterials with materials and devices of larger length scales are still left unmet. The objective of this work was to utilize cost-efficient nanofabrication methods such as template-assisted fabrication, electrodeposition, and chemical vapor deposition to fabricate nanomaterials, integrate nanomaterials with larger structures to form a hierarchical composite, and explore the application of unique nanostructured electrode in lithium-ion batteries. Thus the thesis consists of three main parts: (1) fabrication of one-dimensional inorganic nanomaterials such as metal nanowires, metal nanorods, and carbon nanotubes with good control over shape and dimension; (2) synthesis of hierarchical carbon nanofibers on carbon microfibers and/or glass microfibers; and (3) development of nanostructured anodes to improve high-rate capability of lithium-ion batteries by adapting nanorod arrays as miniature current collectors. "

Orientador: Antonio Riul Júnior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T19:37:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jimenez_MawinJavierMartinez_D.pdf: 7578838 bytes, checksum: def5bc65d8270856f55d63211e1e0f09 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Para alcançar alto desempenho em dispositivos e aplicações faz-se necessário uma melhor compreensão do comportamento de materiais a base de grafeno em nanoescala para otimização de design e fabricação. A síntese química é uma excelente rota alternativa para produzir compósitos em nanoestruturas bem definidas de tamanhos semelhantes, garantindo propriedades elétricas reprodutíveis para aplicações confiáveis. O grafeno, na forma de pontos quânticos (QDs, do inglês quantum dots) em dimensão zero e nanofolhas (NPLs, do inglês graphene nanoplateletes) bidimensionais (2D), são materiais emergentes com funcionalidades únicas promissoras para novas aplicações. Neste trabalho apresentamos um estudo detalhado dos mecanismos de transporte em nanoestruturas formadas pela técnica de automontagem por adsorção física (LbL, do inglês Layer-by-Layer) na forma de multicamadas, com controle de espessura em nível molecular. Os filmes LbL foram formados por óxido de grafeno reduzido (rGO) funcionalizado com diferentes polieletrólitos tanto na forma de QDs quanto nanofolhas. As caracterizações elétricas indicaram corrente limitada pela carga espacial em algumas amostras, e em outras arquiteturas moleculares, mecanismo de condução via Poole-Frenkel seguindo a lei de Mott dominada por saltos variáveis. A flexibilidade da técnica LbL aliada à dimensão dos materiais utilizados foram favoravelmente exploradas como um ajuste fino para controle da mobilidade de portadores dentro das nanoestruturas formadas. Foi observado em alguns casos uma condução planar no interior da camada contendo rGOs na estrutura LbL com mobilidade eletrônica efetiva de ~ 35 cm² V^-1 s^-1. Em outros casos um mecanismo de condução 3D (interplanar ao longo de toda nanoestrutura LbL) com mobilidade eletrônica de ~ 151 cm² V^-1 s^-1. Medidas em função da temperatura indicaram alta probabilidade de saltos randômicos entre ilhas condutoras de rGO distribuídas ao longo da camada contendo os pontos quânticos, que contribui para um maior tempo de trânsito dos portadores e, consequentemente, mobilidades menores. O oposto ocorre para as nanofolhas de rGO, que requerem maiores energias de ativação devido ao tamanho e presença de defeitos, resultando em caminhos condutores maiores e com maiores mobilidades / Abstract: To achieve high-performance in devices and applications it is important a better comprehension of the behavior at nanoscale of graphene-based materials to promote a rational design and fabrication. The chemical synthesis is an excellent alternative route to optimize graphene-based composites in well-defined nanostructures of similar sizes, ensuring reproducible electrical properties for reliable applications. Graphene as quantum dots (QDs) and nanoplatelets (NPLs) presents emerging zero- and two-dimensional (2D) materials with promising unique functionalities to novel applications. We present here a detailed study of the charge transport mechanisms in multilayered nanostructures formed by physical adsorption through the layer-by-layer (LbL) technique, with molecular level thickness control. The LbL films were formed by reduced graphene oxides (rGO) functionalized with different polyelectrolytes and processed either as QDs or nanoplatelets. The electrical characterizations indicated a space-charge-limited current (SCLC) in some samples, while in other molecular architectures it was found a Poole-Frenkel conduction mechanism dominated by a Mott-variable range hoping model. The LbL assembly together with the dimensionalty of the materials could be favorably used as a fine tuning to control the charge carrier mobility inside the formed nanostructures. The flexibility of the LbL technique together with the dimensionality of the materials were favorably explored as a fine tuning of the charge carrier mobility inside the nanostructures. It was observed in some cases a 2D intra-planar conduction within the rGO layer in the LbL films, with an effective charge carrier mobility of ~ 35 cm² V-1 s-1, and in other cases a 3D conduction mechanism (interplanar along with the LbL nanostructure) with electronic mobility of ~ 151 cm² V-1 s-1. Temperature measurements indicated a higher probability of random jumps between rGO conducting "islands" distributed along with the plane layer having quantum dots, which contributes for a longer transit time of the carriers and, consequently, lower mobility values. The opposite occurred for the rGO nanoplatelets that required higher activation energy due to size and presence of defects, resulting in larger conductive pathways and higher mobilities / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 1247719 / CAPES / FAPESP