Orientador: Hebe de las Mercedes Villullas / Banca: Joelma Perez / Banca: Janaina Fernandes Gomes / Resumo: Esse trabalho consistiu em sintetizar, caracterizar e avaliar o desempenho catalítico para a oxidação de etanol de catalisadores contendo nanopartículas de PdCu e PdNi com diferente conteúdo do segundo metal (Cu e Ni em 10, 20, 30, 40 e 50%). A síntese foi realizada pelo método do poliol modificado e as nanopartículas foram suportadas em carbono de alta área superficial. Os catalisadores de PdCu e PdNi sintetizados foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão em modo varredura (STEM), espectroscopia fotoeletrônica de raios-X (XPS) e espectroscopia de absorção de raios-X (XAS). A caracterização eletroquímica foi feita por voltametria cíclica em meio ácido e alcalino. A atividade catalítica foi avaliada por cronoamperometria em solução alcalina contendo etanol. De forma geral, os dados mostraram a incorporação do segundo metal (Cu e Ni) na estrutura cristalina do Pd que resulta na contração da rede cristalina, nanopartículas pequenas (menores que 5 nm) e presença de aglomerados. Tanto para PdCu quanto para PdNi, a formação de liga com o segundo metal produz um aumento da ocupação eletrônica da banda 4d do Pd. A presença de espécies oxidadas tem efeito oposto, ou seja, produz uma diminuição do preenchimento da banda. No caso de PdCu, os dados de XPS indicaram uma diminuição da quantidade de Pd metálico na superfície. O efeito contrário foi observado para PdNi. As atividades catalíticas para a oxidação de etanol foram menores que para ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work consisted in the synthesis, characterization and evaluation of the catalytic performance for the oxidation of ethanol of catalysts containing PdCu and PdNi nanoparticles with different contents of the second metal (Cu and Ni at 10, 20, 30, 40 and 50%). The synthesis was carried out by a modified polyol method and the nanoparticles were supported on high surface area carbon. Catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy scanning mode (STEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray absorption spectroscopy (XAS). The electrochemical characterization was done by cyclic voltammetry in acid and alkaline medium. The catalytic activity was evaluated by chronoamperometry in alkaline solution containing ethanol. In general, data showed incorporation of the second metal (Cu and Ni) into the crystal structure of Pd that results in the contraction of the Crystal lattice, small particles (smaller than 5 nm) and the presence of agglomerates. For PdCu as well as for PdNi, the formation of alloy with the second metal produces an increase in the electronic occupancy of the Pd 4d band. The presence of oxidized species has the opposite effect, i.e., produces a decrease in the band filling. For PdCu, XPS data indicated a decrease in the percentage of metallic Pd on the surface. The opposite was observed for PdNi. The catalytic activities for the oxidation of ethanol were lower than for Pd, differently from what most data in the litera... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Sob o olhar nanotecnológico, a dimensionalidade passa a ser um fator preponderante nas propriedades dos materiais. O ouro metálico com dimensões reduzidas para a escala nanométrica passa a exibir um comportamento peculiar em termos de sua estrutura eletrônica e reatividade. No trabalho realizado busca-se um melhor entendimento das propriedades das nanopartículas de ouro através de um abordagem química, com foco nas interações superficiais e suas correlações com fenômenos de agregação. No campo mais fundamental, foram realizados estudos visando entender a influência de ligantes de diferentes comprimentos de cadeia nos processos de agregação e de fusão de nanopartículas, utilizando-se para tal ligantes de interesse para a química supramolecular: pirazina, 4,4\'-bipiridina, 1,2-bis (4-piridil)etano e 1,4-bis[(4-piridil)etenil]benzeno. Além disso, foram realizados estudos que permitiram a obtenção de nanopartículas de ouro passivadas com o complexo [Fe(CN)5(4-pySH)]3-,gerando um bloco de contrução interessante para a geração de materiais nanoestruturados a partir de ligações do tipo azul da Prússia. Por fim, estudos da interação de nanopartículas de ouro como o suporte inorgânico hidrotalcita foram realizados, possibilitando a geração de um material colorido composto de nanopartículas de ouro suportadas na superfície da matriz inorgânica. O material exibe ainda efeitos de mudança de coloração com o aumento da temperatura, correlacionados com o estado de agregação das nanopartículas metálicas. / Under the nanotechnological point of view, the dimensionality comes into play when one is dealing with many properties from the materials. Bulk gold with dimensions reduced to the nanometric scale shows singular reactivity and electronic properties. In the present work a further knowledge of the gold nanoparticles properties is sought from a chemical approach, through the investigation of surface interactions and their correlations with aggregation phenomena. Studies aiming a further understanding on the influence of different length ligands in the aggregation and fusional processes were performed with the ligands: pyrazine, 4,4\'-bipyridine, 1,2-bis(4-pyridyl)ethane and 1,4-bis[(4- pyridyl)ethenyl]benzene. Furthermore, the investigation of nanoparticles surface interaction with the ligands 2 and 4-mercaptopyridine and their complexes with pentacianoferrate was also investigated allowing the obtainment of building block potentially useful for the generation of nanostructured materials through Prussian blue-like bonds. Finally, the obtainment of a new material based on surface interactions of gold nanoparticles on the inorganic support hydrotalcite was possible. The material exhibits peculiar thermochromic properties with colors dependent on the aggregation state of the nanoparticles.

Neste trabalho descreve-se uma rota de preparação de nanopartículas de ródio (4 nm diâmetro médio) dispersas no líquido iônico tetrafluoroborato de 1-n-butil-3-metilimidazólio (BMI.BF4) e suportadas na rede de sílica pelos métodos sol-gel e grafting. Na preparação pelo método sol-gel (ácido ou básico) obteve-se materiais com diferentes quantidades de líquido iônico encapsulado e diferente morfologia da matriz de sílica. A quantidade de ródio suportado nos xerogéis resultantes foi (0,1% m/m). A condição ácida de preparação resultou em sílica com maior quantidade de líquido iônico encapsulado e com diâmetro de poro maior, podendo ser considerada como responsável pela atividade catalítica observada na hidrogenação de alcenos. A alta quantidade de líquido iônico incorporado pode ser importante para garantir a estabilidade das nanopartículas. O material catalítico preparado pelo método sol-gel pode ser recuperado por decantação e reutilizado por 10 vezes sem perda da atividade catalítica. As micrografias obtidas por microscopia eletrônica de transmissão do catalisador isolado depois de dez recargas mostraram que o material recuperado não apresentou sinais aparentes de aglomeração. A combinação (líquido iônico encapsulado/nanopartículas de ródio/sílica) exibe um excelente efeito sinérgico que aumenta a atividade catalítica e a robustez das nanopartículas de ródio para hidrogenação. Todos os sistemas suportados preparados foram mais ativos do que nanopartículas isoladas. / This work describes a route of preparation of rhodium nanoparticles (4 nm mean diameter) dispersed in an ionic liquid (1-n-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) and supported within a silica network, prepared by the sol-gel method and grafting method. The sol-gel preparation method (acid or basic) gives materials with different contents in encapsulated ionic liquid and different silica morphology. The rhodium content in the resulting xerogels was (0.1 wt%). However, acidic conditions afforded higher contents of encapsulated ionic liquid and xerogels with larger pore diameters, which could be considered as responsible for the higher catalyst activity in hydrogenation of the alkenes. The catalytic material prepared by the sol gel method can be recovered by simple decantation and re-used at least ten times without any significant loss in catalytic activity. Transmission electron microscopy (TEM) of the catalyst isolated after ten recharges showed that the recovered material did not present apparent signs of agglomeration. The combination (ionic liquid/rhodium nanoparticles/silica) exhibits an excellent synergistic effect that enhances the activity and robustness of the rhodium hydrogenation catalysts. All the supported systems were more active than isolated rhodium nanoparticles for the hydrogenation of alkenes.

Nanopartículas (NPs) bimetálicas de níquel/irídio do tipo liga e do tipo caroço@casca foram obtidas a partir da decomposição dos precursores organometálicos, Ni(COD)2 e [Ir(COD)OCH3]2, e estabilizadas através do líquido iônico (LI) N trifluorometanosulfonimidato de 1-n-butil-3-metilimidazólio (BMIM.NTf2). As NPs bimetálicas foram caracterizadas através das técnicas de Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios X (XPS), Espectroscopia de Absorção de Raios X, (EXAFS), Espectrometria de Espalhamento Rutherford (RBS) e por análise do ciclo de magnetização. As NPs apresentaram tamanho médio entre 1,5 nm e 2,0 nm e, de acordo com os dados obtidos, mantiveram-se bem distribuídas e estabilizadas quando estavam em solução de LI. As propriedades catalíticas das NPs foram avaliadas através da decomposição da hidrazina monohidratada e na reação de hidrogenação de compostos α, β – insaturados. A formação de estruturas do tipo caroço@casca e liga foi evidenciada por análises de XPS e EXAFS Verificou-se que o tipo do sistema (liga ou caroço@casca), a composição molar e o excesso de LI são fatores decisivos nas performances catalíticas. Nas reações de decomposição de hidrazina, o excesso de LI e o alto teor de irídio presente nos catalisadores influenciaram tanto a atividade quanto a seletividade da reação. Nas reações de hidrogenação, os maiores teores de irídio foram fundamentais para uma maior atividade. Dentre as NPs síntetizadas, selecionou-se o melhor catalisador para uma completa investigação cinética da reação de hidrogenação seletiva da ligação C=C da 2-ciclohexen-1-ona (CHN) empregando Ni/Ir 1:1. Nesse estudo, observou-se que a reação segue o mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. Esse modelo propõe que a hidrogenação ocorre através da adsorção do substrato, dissociação do H2, seguido da reação de superfície e dessorção do produto. As entalpias obtidas pelos gráficos de van’t Hoff mostraram que a adsorção da CHN na superfície do catalisador é um processo exotérmico (-8 kJ.mol-1), enquanto a adsorção do H2 ocorre por um processo endotérmico (12,37 kJ.mol-1). / Alloy-like and core@shell-like bimetallic nanoparticles (NPs) of nickel/iridium were obtained from decomposition of the organometallic precursors Ni(COD)2 and [Ir(COD)OCH3]2 and stabilized by the ionic liquid (IL) 1-Butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (BMIM.NTf2). These NPs were characterized by X-Ray Diffractometry (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS), Rutherford Backscatering Spectroscopy (RBS) and by magnetization analysis. The NPs were obtained in the size range within 1.5 nm and 2.0 nm, remaining well distributed and stabilized in IL. The catalytic properties of the NPs were evaluated through decomposition of hydrazine monohydrate and in the hydrogenation reaction of α, β-unsaturated compounds. The formation of core-shell like and alloy like nanostructures were confirmed by XPS and EXAFS. The type of structure (alloy or core-shell), the molar composition and the excess of IL were found to play and important role on the catalytic performance Concerning hydrazine decomposition, the excess of IL and the high content of iridium present in catalysts were found to influence both catalytic activity and selectivity. In hydrogenation reactions, the higher contents of iridium were fundamental for a higher activity. The best catalyst (Ni/Ir 1:1) was choosen to a throughout kinetic investigation of the selective hydrogenation of the C = C bond of 2-cyclohexen-1-one (CHN), reveling a process governed by a Langmuir-Hinshelwood mechanism. This model proposes that hydrogenation occurs through adsorption of the substrate, dissociation of H2, followed by surface reaction and desorption of the product. The enthalpies obtained by the van’t Hoff graphs showed that adsorption of CHN on the surface of the catalyst is an exothermic process (-8 kJ.mol-1), while the adsorption of H2 occurs by an endothermic process (12.37 kJ.mol-1).

Este trabalho descreve, sob um ponto de vista atômico, a investigação das nanopartículas magnéticas (NPMs) de magnetita (Fe3O4) e ferritas do tipo TMFe2O4 (TM = Co, Ni), que são uma classe de materiais estruturados que atualmente tem um grande interesse devido à grande variedade de suas possíveis aplicações tecnológicas e biomédicas, pela Espectroscopia de Correlação Angular γ-γ Perturbada (CAP). Para a produção das NPMs foram utilizadas duas rotas químicas: o método de co-precipitação e o método de decomposição térmica. A co-precipitação apresenta as vantagens de ter temperaturas moderadas e custos relativamente baixos, porém não se consegue ter um controle da distribuição de tamanho das partículas. Por outro lado, a decomposição térmica possibilita uma amostra monodispersa com controle de tamanho e forma, mas este método necessita de reagentes tóxicos, caros e alta temperatura de reação. Para caracterização das amostras foi usada a técnica de Difração de Raio X (DRX) e a morfologia das NPs foi estudada por meio da Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). A partir desta técnica foi possível avaliar a distribuição do tamanho dos grãos, pois algumas características como, elevado valor de magnetização, alta anisotropia e um alto valor de coercividade são propriedades que dependem das nanoestruturas. As propriedades magnéticas foram estudadas localmente a partir da Correlação Angular Perturbada (CAP) que utiliza como sondas núcleos atômicos das medidas, como os núcleos de prova 111In (111Cd), 140La (140Ce) e 181Hf(181Ta). Estas propriedades foram complementadas por medidas de Magnetização. / This work describes, from an atomic point of view, the investigation of magnetic nanoparticles (MNPs) of magnetite (Fe3O4) and ferrites of the type TMFe2O4 (TM = Co, Ni), which are a class of structured materials that currently have a great interest due to the great variety of its possible technological and biomedical applications by Perturbed γ-γ Angular Correlation Spectroscopy (PAC). Two chemical routes were used to produce MNPs: the co-precipitation method and the thermal decomposition method. Co-precipitation has the advantages of having moderate temperatures and relatively low costs, but particle size distribution control is not achieved. On the other hand, the thermal decomposition allows a monodisperse sample with size and shape control, but this method requires toxic reagents, expensive and high reaction temperature. The X-Ray Diffraction (XRD) technique was used to characterize the samples and the morphology of the NPs was studied by Electron Transmission Electron Microscopy (TEM). From this technique it was possible to evaluate grain size distribution, because some characteristics such as high magnetization value, high anisotropy and a high coercivity value are properties that depend on the nanostructures. The magnetic properties were studied locally from the Perturbed Angular Correlation (CAP), which uses as probe nuclei of the measurements, such as 111In (111Cd), 140La (140Ce) and 181Hf (181Ta). These properties were complemented by Magnetization measurements.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2016. / A fotocatálise em fase heterogênea é uma solução elegante para a conversão da luz solar em energia útil (elétrica, química) com benefícios à economia e ao meio-ambiente. Todavia, a construção de fotocatalisadores eficientes ainda permanece como grande desafio. Neste contexto, esta dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento sob baixo custo de um nanomaterial híbrido formado por nanopartículas de dióxido de titânio (np-TiO2) e óxido de grafeno (GO) bem como a avaliação das suas propriedades fotocatalíticas. O fotocatalisador foi preparado na forma de filmes ultrafinos pela técnica de automontagem sobre substratos de vidro. Por meio de diferentes técnicas de caracterização - espectroscopias de absorção UV-vis, FT-IR e Raman, difração de raios-X, espalhamento dinâmico de luz, mobilidade eletroforética, microscopias MEV, MET e AFM - foi possível identificar as contribuições de interação eletrostática e ligação covalente entre as np-TiO2 e o GO para a formação dos filmes, característica até então não abordada em filmes híbridos TiO2/GO. Em seguida, filmes de np-TiO2/GO foram empregados como fotocatalisadores para a deposição de nanopartículas de prata (np-Ag) e degradação de corante. Na primeira aplicação, verificou-se que os filmes np-TiO2/GO são capazes de produzir, sob ação de luz UV (254 nm), filmes de np-Ag de diferentes espessuras, com parâmetros cinéticos e termodinâmicos de fotodeposição controlados pela arquitetura do filme fotocatalisador. Adicionalmente, os filmes np-TiO2/GO/np-Ag propiciaram um aumento de 104 na intensidade do espectro de espalhamento Raman da ftalocianina de níquel(II). Na segunda aplicação, observou-se que os filmes np-TiO2/GO são capazes de conduzir a fotodegradação, sob luz UV e visível, do corante azul de metileno a taxas da ordem de 10-4 - 10-3 min-1, comparáveis ou até mesmo superiores aos fotocatalisadores descritos na literatura. Os resultados mostram que a adição de np-Ag, em pequenas quantidades, aumentou a taxa de fotodegradação por meio da extensão da absorção de luz para a região do visível e favorecimento da transferência eletrônica na superfície do filme fotocatalisador. / The heterogeneous photocatalysis is an elegant solution to convert solar light into useful energy (electrical, chemical) with benefits to economy and environment. However, the production of efficient photocatalysts remains a great challenge. Therefore, this dissertation presents the development of a low-cost hybrid nanomaterial made up of titanium dioxide nanoparticles (np-TiO2) and graphene oxide (GO), and the evaluation of its photocatalytic properties. The photocatalysts were prepared as ultra-thin films deposited via the self-assembly, layer-by-layer technique onto glass substrates. By using different characterization methods - UV-vis absorption, FT-IR and Raman spectroscopies, X-ray diffraction, dynamic light scattering, electroforetic mobility, SEM, TEM and AFM microscopies - it was possible to identify the contributions of electrostatic interaction and covalent bonding between np-TiO2 and GO to the film formation, something not studied in layer-by-layer hybrid TiO2/GO films. Aftewards, np-TiO2/GO films were used as photocatalysts for the deposition of silver nanoparticles (np-Ag) and degradation of dyes. In the first application, it was verified that np-TiO2/GO films are capable of producing under UV light irradiation (254 nm), np-Ag films of variable thicknesses, while providing kinetics and thermodynamic parameters of photo-deposition controlled by the photocatalysts film architecture. In addition, np-TiO2/GO/np-Ag films promoted a 104 increase of the Raman signal of nickel(II) phthalocyanine. In the second application, it was observed that np-TiO2/GO films are capable of driving the photodegradation (UV and visible) of methylene blue at rates of 10-4 - 10-3 min-1, which are comparable and even superior to those achieved with photocatalysts described in the literature. The results show that the addition of np-Ag in small quantities increased the photodegradation rate by means of extension of light absorption into the visible range and enhancement of electron transfer at the photocatalyst's surface.

Este trabalho descreve, sob um ponto de vista atômico, a investigação das nanopartículas magnéticas (NPMs) de magnetita (Fe3O4) e ferritas do tipo TMFe2O4 (TM = Co, Ni), que são uma classe de materiais estruturados que atualmente tem um grande interesse devido à grande variedade de suas possíveis aplicações tecnológicas e biomédicas, pela Espectroscopia de Correlação Angular γ-γ Perturbada (CAP). Para a produção das NPMs foram utilizadas duas rotas químicas: o método de co-precipitação e o método de decomposição térmica. A co-precipitação apresenta as vantagens de ter temperaturas moderadas e custos relativamente baixos, porém não se consegue ter um controle da distribuição de tamanho das partículas. Por outro lado, a decomposição térmica possibilita uma amostra monodispersa com controle de tamanho e forma, mas este método necessita de reagentes tóxicos, caros e alta temperatura de reação. Para caracterização das amostras foi usada a técnica de Difração de Raio X (DRX) e a morfologia das NPs foi estudada por meio da Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). A partir desta técnica foi possível avaliar a distribuição do tamanho dos grãos, pois algumas características como, elevado valor de magnetização, alta anisotropia e um alto valor de coercividade são propriedades que dependem das nanoestruturas. As propriedades magnéticas foram estudadas localmente a partir da Correlação Angular Perturbada (CAP) que utiliza como sondas núcleos atômicos das medidas, como os núcleos de prova 111In (111Cd), 140La (140Ce) e 181Hf(181Ta). Estas propriedades foram complementadas por medidas de Magnetização. / This work describes, from an atomic point of view, the investigation of magnetic nanoparticles (MNPs) of magnetite (Fe3O4) and ferrites of the type TMFe2O4 (TM = Co, Ni), which are a class of structured materials that currently have a great interest due to the great variety of its possible technological and biomedical applications by Perturbed γ-γ Angular Correlation Spectroscopy (PAC). Two chemical routes were used to produce MNPs: the co-precipitation method and the thermal decomposition method. Co-precipitation has the advantages of having moderate temperatures and relatively low costs, but particle size distribution control is not achieved. On the other hand, the thermal decomposition allows a monodisperse sample with size and shape control, but this method requires toxic reagents, expensive and high reaction temperature. The X-Ray Diffraction (XRD) technique was used to characterize the samples and the morphology of the NPs was studied by Electron Transmission Electron Microscopy (TEM). From this technique it was possible to evaluate grain size distribution, because some characteristics such as high magnetization value, high anisotropy and a high coercivity value are properties that depend on the nanostructures. The magnetic properties were studied locally from the Perturbed Angular Correlation (CAP), which uses as probe nuclei of the measurements, such as 111In (111Cd), 140La (140Ce) and 181Hf (181Ta). These properties were complemented by Magnetization measurements.

En la presente memoria se describe la aplicación de nanopartículas de níquel a reacciones de formación de enlaces carbono-carbono y de reducción por transferencia de hidrógeno. Las nanopartículas de níquel han sido preparadas por reducción de cloruro de níquel(ll) con litio en polvo y una cantidad catalítica del areno 4,4' -di-terc-butilbifenilo en THF a temperatura ambiente. En el Capítulo 1 se estudia el comportamiento de estas nanopartículas de níquel en la reacción de homoacoplamiento de haluros de arilo. El Capítulo 2 trata sobre la actividad de las nanopartículas de níquel en reacciones de transferencia de hidrógeno, utilizando isopropanol como donador de hidrógeno. Se estudia la reducción de olefinas, compuestos carbonílicos y aminación reductora, junto con una caracterización completa de las nanopartículas aplicando distintas técnicas instrumentales. En el Capítulo 3 se aplican las nanopartículas de níquel a la α-alquilación de cetonas con alcoholes primarios. Por último, en el Capítulo 4, se estudia la aplicación de las nanopartículas de níquel a reacciones de tipo Wittig, incluyendo la síntesis de estilbenos polimetoxilados, algunos de ellos, como el DMU-212, presentan destacada actividad biológica o son precursores de productos naturales como el resveratrol.

Estágio realizado na Fluidinova-Engenharia de Fluídos e orientado pelo Eng.º José Carlos Britpo Lopes / Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. Università degli Studi di Roma-La Sapienza. 2011