Made available in DSpace on 2018-06-27T18:56:38Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Marcel Vinicius Theisen Fischer.pdf: 2469780 bytes, checksum: 25ed81f2822e60373c291ce803520de9 (MD5) Marcel Vinicius Theisen Fischer.pdf.jpg: 3433 bytes, checksum: 4a071a8df33bd16a59c0b41ec66cffd5 (MD5) Previous issue date: 2010-06-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The carbon nanotubes (CNT) are small cylinders with diameters in order of nanometers (10-9 m) and, of some micrometers (10-6 m) of length. Carbon nanotubes are conceptually built considering the rolling up of a strip of graphene sheet. The electronic, mechanical, and optical properties of the tube depend on how the graphene sheet is rolled up. More than one graphene sheet can be rolled up forming concentric nanotubes which are called multiple walled carbon nanotubes (MWCNT). The knowledge and parameterization of synthesis methods are of extremely importance for the development of carbon nanotubes science. This work had as objective the installation of a system for CNT production, using chemical catalytic vapor deposition (CCVD), and the evaluation of the effects of synthesis parameters in formation of carbon nanotubes. In this work, parameters such as temperature and time of synthesis using three kinds of catalysts (Fe/MgO, Fe/Al2O3 e Co/Al2O3) were investigated keeping the catalyst mass fixed in 100 mg. The temperatures varied from 750 to 850 °C and synthesis time from 10 to 15 minutes. During the process, an argon flow of 1,0 L/min was used to maintain an inert atmosphere in the tube furnace. When the programmed temperature was reached, a flow of ethylene gas (0,1 L/min-1) was inserted in the reactor. When finishing the synthesis time, gases flux were interrupted. The samples were characterized by Raman spectroscopy. The best synthesis temperature was 800°C for catalysts Fe/MgO and Fe/Al2O3, using 750 °C and Co/Al2O3 catalysts during 15 minutes. The mass medium gain of CNT produced, without purification, was of 112%. The proposed system presented satisfactory results in relation to NTC production in laboratorial scale and the choose of synthesis parameters lead to the synthesis of different CNTs. / Os nanotubos de carbono (NTC) são pequenos cilindros com diâmetro da ordem de nanômetros (10-9 m) e, de alguns micrômetros (10-6 m) de comprimento. Conceitualmente, um nanotubo é construído através do enrolamento de um pedaço de uma folha de grafeno. As propriedades eletrônicas, mecânicas, ópticas do tubo dependem de como grafeno é enrolado. Além disso, pode-se enrolar mais de uma folha de grafeno, formando assim, nanotubos concêntricos (Nanotubos de carbono de paredes múltiplas, NTCPM). Com tantas formas de síntese desses nanomateriais, o conhecimento e parametrização dos métodos de síntese são de extrema importância para o desenvolvimento da área. Com esse intuito, este trabalho teve como objetivo a instalação de um sistema para a produção de NTC, utilizando a técnica de deposição catalítica química em fase vapor (DCQFV), e avaliar os efeitos dos parâmetros de síntese na formação dos nanotubos de carbono. Neste trabalho parâmetros como temperatura e tempo de síntese usando 3 tipos de catalisadores: Fe/MgO, Fe/Al2O3 e Co/Al2O3 foram investigados, com massa de catalisador fixada em 100 mg. As temperaturas variaram de 750 a 850 °C e os tempos de síntese de 10 a 15 minutos. Durante o processo um fluxo de argônio de 1,0 L/min-1 foi utilizado para manter uma atmosfera inerte no interior do forno. Ao atingir a temperatura programada, um fluxo de gás etileno foi inserido, numa taxa de 0,1 L/min-1. Ao finalizar o tempo de síntese, os fluxos dos gases foram interrompidos. As amostras sintetizadas foram caracterizadas por espectroscopia Raman. A melhor temperatura de síntese foi de 800 °C para os catalisadores Fe/MgO e Fe/Al2O3, e de 750 °C com o catalisador Co/Al2O3, em um tempo de 15 minutos. O ganho médio de massa dos NTC produzidos, sem purificação, foi de 112%. O sistema proposto apresentou resultados satisfatórios em relação à produção de NTC em escala laboratorial e os parâmetros de síntese dependem do tipo de NTC que se quer sintetizar.

Submitted by MARCIA ROVADOSCHI (marciar@unifra.br) on 2018-08-15T13:32:16Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_MarcelViniciusTheisenFischer.pdf: 2481648 bytes, checksum: edf65a27a59189563b5a3ba08b8c0773 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-15T13:32:16Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_MarcelViniciusTheisenFischer.pdf: 2481648 bytes, checksum: edf65a27a59189563b5a3ba08b8c0773 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2010-06-30 / The carbon nanotubes (CNT) are small cylinders with diameters in order of nanometers (10-9 m) and, of some micrometers (10-6 m) of length. Carbon nanotubes are conceptually built considering the rolling up of a strip of graphene sheet. The electronic, mechanical, and optical properties of the tube depend on how the graphene sheet is rolled up. More than one graphene sheet can be rolled up forming concentric nanotubes which are called multiple walled carbon nanotubes (MWCNT). The knowledge and parameterization of synthesis methods are of extremely importance for the development of carbon nanotubes science. This work had as objective the installation of a system for CNT production, using chemical catalytic vapor deposition (CCVD), and the evaluation of the effects of synthesis parameters in formation of carbon nanotubes. In this work, parameters such as temperature and time of synthesis using three kinds of catalysts (Fe/MgO, Fe/Al2O3 e Co/Al2O3) were investigated keeping the catalyst mass fixed in 100 mg. The temperatures varied from 750 to 850 °C and synthesis time from 10 to 15 minutes. During the process, an argon flow of 1,0 L/min was used to maintain an inert atmosphere in the tube furnace. When the programmed temperature was reached, a flow of ethylene gas (0,1 L/min-1) was inserted in the reactor. When finishing the synthesis time, gases flux were interrupted. The samples were characterized by Raman spectroscopy. The best synthesis temperature was 800°C for catalysts Fe/MgO and Fe/Al2O3, using 750 °C and Co/Al2O3 catalysts during 15 minutes. The mass medium gain of CNT produced, without purification, was of 112%. The proposed system presented satisfactory results in relation to NTC production in laboratorial scale and the choose of synthesis parameters lead to the synthesis of different CNTs. / Os nanotubos de carbono (NTC) são pequenos cilindros com diâmetro da ordem de nanômetros (10-9 m) e, de alguns micrômetros (10-6 m) de comprimento. Conceitualmente, um nanotubo é construído através do enrolamento de um pedaço de uma folha de grafeno. As propriedades eletrônicas, mecânicas, ópticas do tubo dependem de como grafeno é enrolado. Além disso, pode-se enrolar mais de uma folha de grafeno, formando assim, nanotubos concêntricos (Nanotubos de carbono de paredes múltiplas, NTCPM). Com tantas formas de síntese desses nanomateriais, o conhecimento e parametrização dos métodos de síntese são de extrema importância para o desenvolvimento da área. Com esse intuito, este trabalho teve como objetivo a instalação de um sistema para a produção de NTC, utilizando a técnica de deposição catalítica química em fase vapor (DCQFV), e avaliar os efeitos dos parâmetros de síntese na formação dos nanotubos de carbono. Neste trabalho parâmetros como temperatura e tempo de síntese usando 3 tipos de catalisadores: Fe/MgO, Fe/Al2O3 e Co/Al2O3 foram investigados, com massa de catalisador fixada em 100 mg. As temperaturas variaram de 750 a 850 °C e os tempos de síntese de 10 a 15 minutos. Durante o processo um fluxo de argônio de 1,0 L/min-1 foi utilizado para manter uma atmosfera inerte no interior do forno. Ao atingir a temperatura programada, um fluxo de gás etileno foi inserido, numa taxa de 0,1 L/min-1. Ao finalizar o tempo de síntese, os fluxos dos gases foram interrompidos. As amostras sintetizadas foram caracterizadas por espectroscopia Raman. A melhor temperatura de síntese foi de 800 °C para os catalisadores Fe/MgO e Fe/Al2O3, e de 750 °C com o catalisador Co/Al2O3, em um tempo de 15 minutos. O ganho médio de massa dos NTC produzidos, sem purificação, foi de 112%. O sistema proposto apresentou resultados satisfatórios em relação à produção de NTC em escala laboratorial e os parâmetros de síntese dependem do tipo de NTC que se quer sintetizar.

A miniaturização de uma biocélula a combustível (BC) enzimática de glicose/O2 para aplicação em dispositivos bioeletrônicos implantáveis representa um grande desafio em eletroquímica moderna. Isso porque é preciso desenvolver bioeletrodos com alta atividade bioeletrocatalítica, com enzimas fortemente ligadas a superfície eletródica. Além disso, o próprio processo de micromanipulação é desafiador, uma vez que é desejável obter biocélulas miniaturizadas e com alta densidade de potência. Assim, propõe-se aqui o desenvolvimento de uma BC que atenda os requisitos supracitados. Para isso, desenvolveram-se bioânodos e biocátodos compostos por folhas de grafeno individuais modificadas com as enzimas glicose desidrogenase (GDh) e bilirrubina oxidase (BOx), respectivamente. Eletrodos de grafeno com área de 10-3 cm2 e espessura de 0,9 ± 0,2 nm foram utilizados em um microchip de Si/SiO2. Observou-se que o grafeno transferido para o microchip permanecia com contaminações de cobre, mesmo após a utilização dos métodos químicos tradicionais de remoção desse metal. A presença de cobre é decorrente do processo de fabricação do grafeno, neste caso, a deposição química em fase vapor (CVD). Para remover qualquer resíduo deste metal, submeteu-se o grafeno a um procedimento de remoção eletroquímica de cobre, denominada aqui como e-etching. Uma vez não observada qualquer corrente faradaica residual associada às impurezas, obtiveram-se os bioeletrodos com a GDh e a BOx. Para a imobilização enzimática, utilizou-se a ligação covalente via funcionalização com o ácido 4-aminobenzóico. As curvas de polarização de estado quase-estacionário obtidas com os bioeletrodos em tampão fosfato pH 7,0 revelaram correntes de onset para oxidação de glicose em -0,13 V e redução de oxigênio em 0,45 V. Por fim, os eletrodos foram utilizados em uma BC sem membrana, operando no microchip de Si/SiO2, em eletrólito tampão fosfato saturado com O2 e glicose 8,0 mmol L-1. A BC apresentou um potencial de circuito aberto em 0,55 V, com densidade de potência volumétrica igual a 1,7 W cm-3, o maior valor reportado até os dias de hoje para uma BC. / The miniaturization of a glucose/O2 enzymatic biofuel cell (BFC) for application in implantable bioelectronic devices is a challenge in electrochemistry. For this purpose, the necessity of bioelectrodes development with high biocatalytic activity such as enzymes strongly attached to electrode surfaces is a current trend. Moreover, the micromanipulation procedure itself is a challenge since the obtention of BFCs with high power density is desirable. Then, the present study shows the partial results obtained in the development of a glucose/O2 BFC with the characteristics exemplified. For the later, bioanodes and biocathodes were obtained with single graphene flakes modified with the enzymes glucose dehydrogenase (GDh) and bilirubin oxidase (BOx), respectively. Graphene flakes electrodes with area of about 10-3 cm2 and thickness of 0,9 ± 0,2 nm were used in a Si/SiO2 microchip. It was observed that transferred graphene to the microchip remained with copper/copper oxide contamination even after the use of conventional methodologies for the remotion of the metal from single graphene foils. The presence of the remaining copper is due to the fabrication process of graphene by chemical vapor deposition (CVD). For the remotion of remaining impurities from graphene, the electrochemical remotion of copper from graphene was carried out in acidic media by the so called e-etching procedure. Since no residual faradaic current was observed due to metal/metal oxide impurities in graphene electrodes, the bioelectrodes were obtained with the enzymes GDh and BOx. The covalent functionalisation of graphene with 4-aminobenzoic acid via diazonium coupling reaction was used for the enzymatic immobilization. The quasi-stationary polarization curves obtained with the bioelectrodes in phosphate buffer pH = 7,0 showed onset oxidation current for glucose at -0.13V and reduction of molecular oxygen starting at +0.45V. Finally, the bioelectrodes were used in a membraneless BFC operating in a Si/SiO2 microchip under saturated oxygen and glucose 8 mmol L-1 in the electrolyte media. The BFC showed an open circuit potential at 0.55V and volumetric power density of 1.7 W cm-3, the highest value reported for an enzymatic BFC so far.

A miniaturização de uma biocélula a combustível (BC) enzimática de glicose/O2 para aplicação em dispositivos bioeletrônicos implantáveis representa um grande desafio em eletroquímica moderna. Isso porque é preciso desenvolver bioeletrodos com alta atividade bioeletrocatalítica, com enzimas fortemente ligadas a superfície eletródica. Além disso, o próprio processo de micromanipulação é desafiador, uma vez que é desejável obter biocélulas miniaturizadas e com alta densidade de potência. Assim, propõe-se aqui o desenvolvimento de uma BC que atenda os requisitos supracitados. Para isso, desenvolveram-se bioânodos e biocátodos compostos por folhas de grafeno individuais modificadas com as enzimas glicose desidrogenase (GDh) e bilirrubina oxidase (BOx), respectivamente. Eletrodos de grafeno com área de 10-3 cm2 e espessura de 0,9 ± 0,2 nm foram utilizados em um microchip de Si/SiO2. Observou-se que o grafeno transferido para o microchip permanecia com contaminações de cobre, mesmo após a utilização dos métodos químicos tradicionais de remoção desse metal. A presença de cobre é decorrente do processo de fabricação do grafeno, neste caso, a deposição química em fase vapor (CVD). Para remover qualquer resíduo deste metal, submeteu-se o grafeno a um procedimento de remoção eletroquímica de cobre, denominada aqui como e-etching. Uma vez não observada qualquer corrente faradaica residual associada às impurezas, obtiveram-se os bioeletrodos com a GDh e a BOx. Para a imobilização enzimática, utilizou-se a ligação covalente via funcionalização com o ácido 4-aminobenzóico. As curvas de polarização de estado quase-estacionário obtidas com os bioeletrodos em tampão fosfato pH 7,0 revelaram correntes de onset para oxidação de glicose em -0,13 V e redução de oxigênio em 0,45 V. Por fim, os eletrodos foram utilizados em uma BC sem membrana, operando no microchip de Si/SiO2, em eletrólito tampão fosfato saturado com O2 e glicose 8,0 mmol L-1. A BC apresentou um potencial de circuito aberto em 0,55 V, com densidade de potência volumétrica igual a 1,7 W cm-3, o maior valor reportado até os dias de hoje para uma BC. / The miniaturization of a glucose/O2 enzymatic biofuel cell (BFC) for application in implantable bioelectronic devices is a challenge in electrochemistry. For this purpose, the necessity of bioelectrodes development with high biocatalytic activity such as enzymes strongly attached to electrode surfaces is a current trend. Moreover, the micromanipulation procedure itself is a challenge since the obtention of BFCs with high power density is desirable. Then, the present study shows the partial results obtained in the development of a glucose/O2 BFC with the characteristics exemplified. For the later, bioanodes and biocathodes were obtained with single graphene flakes modified with the enzymes glucose dehydrogenase (GDh) and bilirubin oxidase (BOx), respectively. Graphene flakes electrodes with area of about 10-3 cm2 and thickness of 0,9 ± 0,2 nm were used in a Si/SiO2 microchip. It was observed that transferred graphene to the microchip remained with copper/copper oxide contamination even after the use of conventional methodologies for the remotion of the metal from single graphene foils. The presence of the remaining copper is due to the fabrication process of graphene by chemical vapor deposition (CVD). For the remotion of remaining impurities from graphene, the electrochemical remotion of copper from graphene was carried out in acidic media by the so called e-etching procedure. Since no residual faradaic current was observed due to metal/metal oxide impurities in graphene electrodes, the bioelectrodes were obtained with the enzymes GDh and BOx. The covalent functionalisation of graphene with 4-aminobenzoic acid via diazonium coupling reaction was used for the enzymatic immobilization. The quasi-stationary polarization curves obtained with the bioelectrodes in phosphate buffer pH = 7,0 showed onset oxidation current for glucose at -0.13V and reduction of molecular oxygen starting at +0.45V. Finally, the bioelectrodes were used in a membraneless BFC operating in a Si/SiO2 microchip under saturated oxygen and glucose 8 mmol L-1 in the electrolyte media. The BFC showed an open circuit potential at 0.55V and volumetric power density of 1.7 W cm-3, the highest value reported for an enzymatic BFC so far.