Diante da necessidade de produzir uma vedação com maior vida útil frente as condições de descompressão explosiva de CO2 incorporou-se quantidades diferentes de MWCNT (multiwalled carbono nanotubes) curtos e longos (0,25 phr e 1 phr) e com graus de funcionalidade de grupos oxigenados variando entre 0% e 7,5% em elastômeros fluorados. A incorporação foi realizada utilizando-se o processo de mistura em cilindro aberto (Copê) e as mantas de borracha obtidas foram termoprensadas e submetidas a doses de irradiação de 5, 10 e 20 kGy em ar atmosférico. Analisaram-se os nanocompósitos e os MWCNT por análises térmicas, difrações de raios-X e micrografias. A partir dos nanocompósitos também foram confeccionados corpos de prova para ensaios mecânicos, análises dinâmico-mecânicas, ensaios de dessorção. Os resultados indicaram em geral aumento dos módulos a 100% e secante a 15% nas amostras com adição de 1 phr, mas pouca mudança da temperatura de transição vítrea foi observada, indicando pouca alteração da mobilidade das cadeias. As micrografias apontaram algumas extremidades de MWCNT soltas da matriz polimérica após o processo de preparação da amostra. Os resultados apontaram melhora na dessorção dos nanocompósitos após a incorporação dos MWCNT. / Faced with the need to produce a gasket with longer useful life against the explosive decompression conditions of CO2, it was incorporated different amounts of short and long MWCNT (0.25 phr and 1 phr) and degrees of oxygenated groups functionality ranging between 0% and 7.5% in fluorinated elastomers. The incorporation was performed using the open mill with two rolls (COPE) and rubber blankets were obtained thermopressed and subjected to radiation doses of 5, 10 and 20 kGy in air atmosphere. Nanocomposites and MWCNT were analyzed by thermal analysis, X-ray diffraction and SEM micrographs. From the nanocomposites were also prepared specimens for mechanical testing, dynamic mechanical analysis, desorption tests. The results indicated, in generally, an increase of modules to 100% and secant to 15% in the samples with the addition of 1 phr, however little change in the glass transition temperature was observed, indicating little variation of mobility of the chains. The micrographs showed some free ends of MWCNT the polymer matrix after sample preparation process. The results pointed improvement on dessorpotion of nanocomposites after the incorporation of MWCNT.

Orientador: Maria Valnice Boldrin Zanoni / Banca: Paulo Roberto Bueno / Banca: Marcos Roberto de Vasconcelos Lanza / Banca: Christiane de Arruda Rodrigues / Banca: Simone Stulp / Resumo: Neste trabalho, apresentamos o desenvolvimento de estruturas nanotubulares auto organizadas de dióxido de titânio (TiO2) preparadas pela técnica de oxidação eletroquímica utilizando eletrólito não aquoso na presença de íons fluoreto. Sob condições otimizadas de anodização: 30V por 50 horas nanotubos altamente alinhados, perpendiculares à superfície metálica de titânio metálico, foram produzidas. As caracterizações destas superfícies foram realizadas através das técnicas de microscopia eletrônica de varredura, difração de raio-X e voltametria de varredura linear. Outras estruturas tais como nanofios e nanoporos de TiO2 foram sintetizadas e estes materiais foram utilizados para promover a degradação fotoeletrocatalítica de seis aminas aromáticas. Os resultados obtidos mostram que os nanotubos de TiO2 promovem com grande eficiência na degradação e mineralização de todos os compostos avaliados com quase 100% de rendimento em menos de 3 horas de reação. Ensaios em cromatografia líquida de alta eficiência revelam a formação de subprodutos gerados durante este tratamento, entretanto, todos estes produtos são degradados ao final do processo. Outros poluentes emergentes tais como filtros solares foram submetidos ao mesmo tratamento e as respostas alcançadas revelam uma eficiência no tratamento satisfatória, indicando assim, a versatilidade do sistema de tratamento. A segunda parte deste trabalho consistiu na produção de células solares baseando-se na investigação de heterojunções de nanofios de TiO2 / P3HT (poli(3-hexil tiofeno)) como camadas ativas em dispositivos fotovoltaicos híbridos. Entre estas camadas foi depositada partículas de sulfeto de antimônio (Sb2S3) no propósito de aumentar a fotoeficiência em virtude da absorção na região do visível. Esta deposição foi realizada através... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Here we report the development of self-organized structures of titanium dioxide (TiO2) nanotubes prepared by an electrochemical oxidation technique using non-aqueous electrolyte in the presence of fluoride ions. Under optimized conditions of anodizing, 30V for 50 hours, highly aligned nanotubes perpendicular to the surface of metallic titanium were produced. The surfaces of these were characterized using scanning electron microscopy, X-ray diffraction and linear sweep voltammetry. Other structures such as nanowires and TiO2 nanoparticles were synthesized and these materials were used to promote the photoelectrocatalytic degradation of six aromatic amines. The results show that TiO2 nanotubes very efficiently promote the degradation and mineralization of all compounds evaluated with almost 100% efficiency in less than 3 hours of reaction. Tests on high performance liquid chromatography revealed the formation of by-products generated during this treatment; however, all these products are degraded by the end of the process. Other emerging pollutants such as endocrine disruptors and sunscreens underwent the same treatment and resulted in satisfactory treatment effectiveness, indicating the versatility of the treatment system. The second part of this work was the production of solar cells based on heterojunctions investigation of TiO2 nanowires / P3HT (poly (3-hexyl thiophene)) as active layers in hybrid photovoltaic devices. Between layers were deposited particles of antimony sulfide (Sb2S3) in order to increase photoefficiency due to absorption in the visible region. This deposition was made through the process of chemical bath deposition at low temperatures for a period of 4 hours. Electrodes used were tin oxide doped with fluorine (FTO) and gold (Au). The deposition of TiO2 nanowires was performed using the... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Maria Del Pilar Taboada Sotomayor / Co-orientador: Ademar Wong / Banca: Gustavo Troinano Feliciano / Banca: Renata Kelly Mendes Valente / Resumo: Este trabalho descreve a preparação e viabilidade de sensores eletroquímicos à base de nanomateriais carbonáceos e catalisadores biomiméticos da enzima P450, visando à obtenção de sensores sensíveis e seletivos para determinação de tetraciclina. Para tal, inicialmente foram construídos sensores eletroquímicos usando pasta de carbono modificada com 10% (m/m) de MWCNT-COOH (nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados com grupos carboxila) e 10% (m/m) de óxido de grafeno (GO). A Voltametria de pulso diferencial adsortiva com varredura anódica (VPDadVA) permitiu obter melhores resultados em solução tampão fosfato 0,1 mol L-1 (pH 7,0); potencial e tempo de acumulação de 0,2 V e 30 s, respectivamente. Sob estas condições o sensor apresentou uma faixa linear de resposta entre 1,2 x 10-5 e 1,7 x 10-4 mol L-1, sensibilidade de 1,2 x 104 (±1,0x103) μA mol L-1 e limite de detecção de 3,6 x 10-8 mol L-1. Este sensor foi aplicado na determinação de tetraciclina em urina sintética, águas de rio e medicamentos, obtendo-se recuperações com valores próximos a 100% e valores de repetibilidade em termos do desvio padrão relativo (DPR) abaixo de 6%. Na segunda etapa do trabalho, visando à obtenção de um sensor biomimético, além dos materiais nanopartículados, as pastas de carbono foram individualmente modificadas, com 11 compostos organometálicos que mimetizam o sitio ativo da enzima P450. Dentre eles, apenas a bispiridilftalocianinaferro (II), cloreto de 5,10,15,20-tetrafenil-21H,23H-porfirinaferro (III) e 1,2,3,4,8,9,10,11,15, 16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-ftalocianinacobalto (II) apresentaram resposta promissora usando voltametria cíclica. Entretanto, quando realizados experimentos de quantificação através de VPDadVA nas condições otimizadas, vi nenhum dos sensores mostrou respostas satisfatórias, apesar dos esforços realizados para conseguir a... / Abstract: This work describes the preparation and feasibility of electrochemical sensors based on carbonaceous nanomaterials and biomimetic catalysts of the P450 enzyme, in order to obtain sensitive and selective sensors for determination of tetracycline. For this, electrochemical sensors were initially constructed using carbon paste modified with 10% (w/w) of MWCNTCOOH (carbon nanotubes multi-walled functionalized with carboxyl groups) and 10% (w/w) of graphene oxide (GO). Differential pulse with adsorptive anodic stripping voltammetry (DPadSAV) provided the best results in phosphate buffer 0.1 mol L-1 (pH 7.0) and accumulation potential and time of 0,2 V and 30 s, respectively. Under these conditions the sensor showed a linear response range between 1.2 x 10-5 and 1.7 x 10-4 mol L-1, sensitivity of 1.2 x 104 (± 1,0 x 103) A mol L-1 and detection limit of 3.6 x 10-8 mol L-1. This sensor has been applied to the determination of tetracycline in synthetic urine, river water and pharmaceutical formulations with recovery values close to 100% and repeatability in terms of relative standard deviation (RSD) below 6%. In the second stage of the work in order to obtain a biomimetic sensor, in addition to the nanoparticulate materials, carbon pastes were individually modified, with 11 organometallic compounds that mimic the active site of P450 enzyme. Among them, only bis(pyridil)phthalocyanine iron (II); 5,10,15,20-tetraphenyl-21H, 23H-porphyrin iron (III) chloride and 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine cobalt (II) showed promising response using cyclic voltammetry. However, when performed experiments by VPD and DPadSAV in optimized conditions, none of the sensors showed satisfactory resposes, despite the efforts made to achieve the quantification of tetracycline. viii Showing that in this case, the these compounds did not improve the sensor response previously obtained... / Mestre

[pt] Apresenta-se neste trabalho dados relativos à incorporação de nitrogênio em nanotubos de carbono de múltiplas paredes. As amostras foram produzidas exclusivamente pelo processo de spray-pirólise usando ferroceno como catalisador. Como fonte de carbono foi usado tolueno juntamente com duas fontes de nitrogênio : acetonitrila e propionitrila. O parâmetro principal investigado é a fração proporcional dos precursores mas o papel da temperatura também é investigado. A caracterização das amostras inclui espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura e transmissão, e analise XPS para avaliar a proporção e concentração química nos produtos. Como complemento alguns testes preliminares foram realizados usando nanotubos de carbono como sensores de gás. Análise para vapores de gasolina e etanol são mostrados. Gases como por exemplo amônia foram também testados sob condições de pressão reduzida. / [en] In this work we report results concerning the nitrogen incorporation into multiwalled carbon nanotubes. Samples were grown by spray-pyrolysis and use ferrocene as catalist. As carbon source, toluene is used along two nitrogen precursors : acetonitrile and propionitrile. The main parameter investigated was the proportional fraction of precursors but the temperature role was also investigated. Characterization of the samples includes Raman spectroscopy, scanning and transmission electron microscopy and for evaluate proportional atomic and chemical concentrations in the tubes: XPS analysis. Few preliminary tests were performed using carbon nanotubes as gas sensors. Vapour of gasoline and ethanol data are sampled. Gases were tested also under reduced pressure conditions.

Orientador: Ricardo Paupitz Barbosa dos Santos / Resumo: Neste trabalho, tivemos como objetivo obter a dispersão de fônons de materiais bidimensionais, por meio de simulações de dinâmica molecular clássica, a fim de examinar propriedades mecânicas e elásticas, como a velocidade do som, módulo volumétrico, módulo de cisalhamento, coeficiente de Poisson e módulo de Young. Apresentamos as principais características da ferramenta utilizada na investigação, o método de dinâmica molecular clássica. Abordamos o Algoritmo Velocity Verlet, empregado para a integração das equações de movimento; o Ensemble estatístico, utilizado para realizar as simulações; o termostato de Nosé-Hoover, responsável por regular a temperatura do sistema; e os potenciais que descrevem as interações atômicas. Utilizamos potenciais reativos, sendo eles Tersoff, Tersoff-2010, AIREBO e ReaxFF. As simulações computacionais foram realizadas através do software LAMMPS. Além disso, discorreremos sobre a dinâmica de rede, a obtenção das curvas de dispersão a partir da construção da matriz dinâmica, por meio da matriz dos coeficientes de rigidez baseado nos deslocamentos dos átomos. Os materiais de baixa dimensionalidade investigados nesta dissertação são derivados do carbono como o grafeno, grafeno bifenileno – BPC e nanotubos. As propriedades vibracionais e elásticas calculadas, para o grafeno foram comparadas com resultados experimentais para o grafite no plano e resultados de simulações de dinâmica molecular. O grafeno bifenileno e os nanotubos de carbono foram compara... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work, we aimed to obtain the phonon dispersion of two-dimensional materials by classical molecular dynamics simulations, in order to explore mechanical and elastical properties, such as velocity of sound, volumetric modulus, shear modulus, Poisson's ratio, and Young's modulus. We present the main features of the tool used in the research, the classical molecular dynamics method. We approach the Velocity Verlet Algorithm, used for the integration of the equations of motion; the statistical Ensemble, used to perform the simulations; Nosé-Hoover’s thermostat, responsible for regulate the system temperature; and the potentials that describe the atomic interactions. We used reactive potentials, being Tersoff, Tersoff-2010, AIREBO and ReaxFF. The computational simulations were performed through LAMMPS software. In addition, we will discuss lattice dynamics, the obtaining the dispersion curves from the dynamic matrix construction, through the matrix of stiffness coefficients based on the displacements of the atoms. The low-dimensional materials investigated in this dissertation are derived from carbon such as graphene, graphene biphenylene - BPC and nanotubes. The calculated vibrational and elastical properties for graphene were compared with experimental results for graphite in-plane and results of molecular dynamics simulations. Graphene biphenylene and carbon nanotubes were compared with graphene values. The other materials, biphenylene nanotubes, were compared with carbo... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Entre os processos oxidativos avançados, a fotocatálise heterogênea tem se destacado na degradação de poluentes recalcitrantes aos tratamentos convencionais. Neste processo, a geração de espécies radicalares ocorre a partir de uma fotoreação catalisada por materiais semicondutores, sendo o dióxido de titânio um dos mais utilizados, principalmente, devido a sua estabilidade química e baixo custo. A estrutura do TiO2 possui grande influência no processo fotocatalítico. Neste trabalho buscou-se preparar, a partir do TiO2 comercial e do TiO2 sintetizado pelo método sol gel, diferentes nanoestruturas do dióxido de titânio e avaliar o desempenho fotocatalítico destes materiais na degradação de fenol. Utilizando o tratamento hidrotérmico em meio fortemente alcalino, foi possível obter materiais nanoestruturados com maior área superficial, de até 308 m2 g-1. O tratamento foi aplicado em três diferentes precursores, com diferentes morfologias inicias. Avaliou-se o efeito de diferentes temperaturas (120 e 200 ºC) e tempos de tratamento (12, 24 e 48 horas), a fim de avaliar a influência das condições de tratamento e da morfologia inicial nos materiais obtidos. As amostras obtidas foram empregadas como catalisadores na degradação do poluente fenol por fotocatalise heterogênea. Em dois dos precursores estudados foram obtidas estruturas nanotubulares quando empregou-se condições mais brandas de tratamento. Em temperaturas mais severas, observou-se a formação de nanobastões. As amostras nanotubulares derivadas do TiO2 comercial anatásio, quando aplicadas na degradação do fenol, permitiram porcentagens de degradação superiores ao do precursor. Quando calcinadas, as amostras apresentaram resultados ainda melhores. O material tratado por 48 horas à 120 ºC possibilitou uma degradação de cerca de 100% do poluente, após 3 horas de irradiação. Utilizando três precursores com morfologias iniciais distintos foram observados resultados diferentes quanto a formação de nanoestruturas e atividade fotocatalítica, sendo o material obtido utilizando o TiO2 comercial anatásio, o que apresentou melhores resultados na degradação do fenol. / Among the advanced oxidation processes, heterogeneous photocatalysis has attracted great attention due the degradation of pollutants recalcitrant to conventional treatments. In this process, the generation of radical species takes place from a photoreaction catalyzed by semiconductor materials. Titanium dioxide is the most used catalyst mainly because of its chemical stability and low cost. The TiO2 structure has great influence on the photocatalytic process. In this study, different nanostructures of titanium dioxide were prepared from commercial TiO2 and TiO2 synthesized by sol gel method. The performance of these materials was evaluated the on the photocatalytic degradation of phenol. Using the hydrothermal treatment in strongly alkaline media, it was possible to obtain nanostructured materials with higher surface area, up to 308 m2 g-1. The treatment was employed in three different precursors with different initial morphology. It was evaluated the effect of different temperatures (120 and 200 °C) and treatment times (12, 24 and 48 hours) to assess the influence of processing conditions and of the initial morphology. The different materials were employed as catalysts in the phenol degradation by heterogeneous photocatalysis. In two precursors studied, nanotubular structures were obtained when it was used milder conditions of treatment. In more severe temperatures, it was observed nanorods formation. Nanotubular samples were obtained from commercial TiO2 anatase. When applied to the degradation of phenol, this material allowed degradation percentages higher than the precursor. When calcined, these samples showed even better results. The material treated for 48 hours at 120 °C allowed a phenol degradation of almost 100% after 3 hours of irradiation. Using three precursors with different initial morphologies it was observed different results regarding the formation of nanostructures and photocatalytic activity. The material obtained from the commercial anatase TiO2 it was the sample which presented the best result in the degradation of phenol

Por duas décadas, as nanoestruturas conhecidas como nanotubos de carbono (CNT), tem chamado a atenção de muitos centros de pesquisa, devido a suas propriedades físicas e químicas, que tornam este material uma ferramenta de primeira ordem em diferentes aplicações. Este trabalho pretende pesquisar a fabricação e caracterização destas estruturas, utilizando as técnicas de deposição química a vapor (CVD), e deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD), visto que são as que reportam melhores resultados em termos de qualidade e quantidade, além de facilidade. A pesquisa está encaminhada pelo ajuste fino das variáveis que intervém nestes dois tipos de processo, tais como a temperatura, os gases precursores a usar, seus fluxos, e relação entre eles, o tipo de catalizador etc. assim como das variáveis que só fazem parte de cada processo diferenciado, no caso do CVD as altas temperaturas, e no caso do PECVD a pressão, a potência de RF aplicada para a formação do plasma etc. A forma de avaliar os resultados obtidos foi mediante as técnicas mais idôneas relativas aos nanotubos de carbono, as quais são a microscopia Raman, a microscopia eletrônica tanto de varredura como de transmissão, e a dispersão de raios X. Desta forma pretende-se fazer um trabalho exaustivo com a finalidade de conseguir uma síntese idônea das nanoestruturas de carbono para diferentes tipos de aplicações encaminhadas principalmente a dispositivos elétricos. / For the past two decades, the nanostructures known as carbon nanotubes (CNT), have been the center of attention of many research centers, due mainly to its physical and chemical properties, turning them into a first order tool in many kind of applications. This work pretends to study the fabrication and characterization of these nanostructures, using the chemical vapor deposition (CVD), and the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) techniques, since they are reported as the best ones in terms of quality, quantity and ease of use. The research is routed by the fine tuning of the variables involved in both processes, such as the temperature, the gas precursors, the gas flows, the flow ratio, the metal catalyst etc. as well as the variables involved in just one of the processes, in the case of CVD, the high temperatures, and in the case of PECVD, the pressure, the RF power for plasma formation etc. The way to evaluate the obtained results was through the most suitable techniques relative to CNT analysis , as Raman microscopy, electron microscopy, both scanning and transmission, and x-ray diffraction. Thus we pretend to perform an exhaustive research with the aim to find a synthesis of carbon nanostructures suitable for different kind of applications, routed principally to electronic devices.

Nesse trabalho foram obtidos nanotubos de TiO2 pelo processo de anodização do titânio em soluções fluoradas visando sua aplicação em células solares, pois estes apresentam melhores propriedades que o TiO2 em forma de filme fino ou de nanopartículas, devido a sua maior área superficial e melhores propriedades de transporte de carga. Os processos de anodização foram realizados em lâminas de titânio com soluções de HF e NH4F e diferentes tensões e tempos de anodização, pois a tensão elétrica aplicada no processo pode ser utilizada para controlar o diâmetro, espessura e comprimento dos nanotubos. As amostras obtidas com as soluções de NH4F foram as que apresentaram os melhores resultados, com tubos de paredes mais lisas, comprimentos maiores e forma mais definida, pois as soluções de NH4F apresentam menor taxa de corrosão que as soluções de HF. Portanto, nesse trabalho as soluções de NH4F também foram utilizadas para crescer nanotubos sobre substratos de vidro, onde foi possível obter matrizes de nanotubos altamente ordenadas, e formar matrizes de nanotubos com padrões geométricos, para aplicação em células solares, sensores integráveis e cristais fotônicos. Porém nesse trabalho, os nanotubos foram utilizados somente para fabricar as células solares sensibilizadas por corante. Foram produzidas células solares utilizando lâminas de vidro cobertas por ITO e FTO, lâminas de titânio sem polimento, lâminas de Ti eletropolidas e também lâminas polidas utilizando polimento químico. Os processos de eletropolimento e polimento químico foram realizados para a obtenção de matrizes de nanotubos mais uniformes e células solares mais eficientes, utilizando esses processos foi possível obter células solares com curvas de J - V bem definidas e com fator de preenchimento (FF) de 0,5. / In this work TiO2 nanotube arrays were obtained by anodization of titanium foils in fluoride-based electrolytes, aiming their application in solar cells, due to its improved proprieties compared to TiO2 thin films or nanoparticles as a consequence of their large surface area and good electron transport. The anodization processes were performed utilizing HF and NH4F solutions with different anodization voltages and times, in order to study the effect of these parameters in the arrays morphology and structure. The samples obtained from NH4F solutions presented better results, with nanotubes exhibiting smoother walls, enhanced length and well defined shape, due to the lower NH4F solution etching rate compared to HF solution. Therefore the NH4F solutions were also utilized to grow nanotubes on glass substrates, allowing to obtain highly oriented of nanotubes arrays. Also patterned nanotube arrays were obtained for integrated sensors and photonic crystals applications. However, in this work, the nanotubes were only used to manufacture the dye sensitized solar cells. Were performed solar cells with glass substrates coating by thin films of ITO and FTO, unpolished titanium foils, eletropolished Ti foils and chemical polished Ti foils. The eletropolishing and chemical polishing process was performed to obtain more uniform nanotube arrays and more efficient solar cells, with well defined J-V curve and FF of 0,5.

Nenhuma / Tem sido demonstrado que as propriedades eletrônicas e ópticas de nanotubos de paredes simples (SWNT) sofrem grande influência do ambiente químico externo. O estudo deste efeito é de grande relevância tanto para o entendimento da estrutura eletrônica de cada nanotubo, quanto para a determinação da concentração de diferentes SWNTs em uma amostra, especialmente nos estudos de separação por tipo, onde o ambiente químico antes e após o processo de separação muda drasticamente. Visando contribuir neste tema, o presente trabalho teve como objetivo estudar os efeitos de diferentes ambientes químicos nos fenômenos de absorção e emissão de luz por SWNTs dispersos em água na forma de tubos individuais. O estudo foi conduzido com nanotubos de pequeno diâmetro produzidos pelo processo comercial HiPco (diâmetros entre 0,7 e 1,2 nm), os quais foram dispersos em soluções aquosas de diferentes agentes dispersantes: i) surfactantes aniônicos dodecilsulfato de sódio (SDS), dodecilbenzenosulfanato de sódio (NaDDBS), colato de sódio (NaC); ii) um oligonucleotídeo de DNA do tipo poli d(GT)10. Algumas dispersões foram preparadas em com diferentes concentrações de SWNTs e agente dispersante. A dispersabilidade dos SWNTs em água for estudada, avaliando-se as propriedades ópticas dos tubos e feixes dispersos nos diferentes ambientes químicos por meio das técnicas de espectroscopia de absorção óptica na região do UV-vis-NIR (AO), fotoluminescência (PL) e fotoexcitação de luminescência (PLE) (photoluminescence excitation spectroscopy). Os valores de energia para os processos de absorção e emissão para os SWNTs nos quatro ambientes químicos estudados foram extraídos dos mapas de PLE e dos dados de absorção óptica. Não foram vistos deslocamentos entre as posições das Eii para os SWNTs dispersos com os três surfactantes aniônicos (SDS, NAC e NaDDBS), indicando que estas substâncias propiciam uma vizinhança química para os tubos bastante semelhante. O mesmo não ocorreu na presença de DNA, onde os valores de Eii para os diferentes SWNTs presentes na amostra, apresentaram um deslocamento batocrômico (para menores energias) de ~ 20 meV em relação aos valores observados para os surfactantes aniônicos. Este deslocamento foi atribuído ao arranjo helicoidal da molécula de DNA em torno do tubo, que expõe a superfície, permitindo maior acesso das moléculas de água e acarretando no aumento da constante dielétrica efetiva nas vicissitudes dos tubos. Foi também investigada a influência do tipo e concentração de agente dispersante, e concentração de SWNT na eficiência de emissão de luz pelos nanotubos suspensos. Neste estudo, a combinação das técnicas de absorção óptica e PLE se mostrou muito útil na investigação do processo de dispersão dos nanotubos. Baseando-se no fato de que o processo de emissão de luz em nanotubos de carbono é altamente sensível ao estado de agregação devido ao efeito de quenching que ocorre quando os SWNTs semicondutores ficam em contato com SWNTs metálicos, enquanto o processo de absorção de luz é pouco afetado, a análise da razão das intensidades dos sinais de PLE e de absorção óptica mostrou ser uma ferramenta poderosa para avaliar a extensão da desagregação dos SWNTs colocados em suspensão. Desta forma, foi possível determinar as melhores condições para maximizar a emissão de luz das dispersões aqui estudadas. Foi verificado que nas condições experimentais usadas, a concentração de SWNTs em solução aumenta na seqüência NaDDBS < NaC < DNA < SDS. Entretanto, embora NaDDBS e NaC produzam dispersões mais diluídas, observou-se pela análise da razão entre os sinais de PL e absorção óptica que a concentração de tubos individuais nestes sistemas é bem maior. Nas dispersões com SDS e o oligonucleotídeo DNA, muitos tubos apresentam-se agregados, provavelmente na forma de feixes estreitos, diminuindo consideravelmente a eficiência de emissão de luz. / It has been demonstrated that the electronic and optical properties of single-wall carbon nanotubes (SWNT) are strongly affected by the environment. This strong environmental effect is very relevant in analyzing the composition of carbon nanotube samples using optical techniques, especially in the case of separation experiments, where the SWNT environments are generally very different before and after the separation process. In this context, this work aimed at studying the effects of different surrounding materials on the absorption and emission of light by the individualized SWNT suspended in water. The study was carried out with small-diameter HiPco SWNT (with diameters between 0.7 and 1.2 nm) which were dispersed in aqueous solutions of different dispersing agents: i) anionic surfactants sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium dodecyl benzene sulfonate (NaDDBS) and sodium cholate (NaC); ii) DNA oligonucleotide poly d(GT)10. Samples were prepared with different concentrations of SWNT and surfactants and were analyzed by UV-vis-NIR optical absorption (OA), photoluminescence (PL) and photoluminescence excitation (PLE) spectroscopies. The energies of the emission and absorption peaks for the samples in the four different environments were obtained from PL maps and OA data. The optical transition energies for the nanotubes wrapped by the three surfactants (SDS, NaC and NaDDBS) present basically the same values, thereby indicating that the nanotubes experience a very similar chemical environment. On the other hand, the optical transition energies for DNA-wrapped nanotubes are redshifted by ~ 20 meV as compared to the surfactant-wrapped ones. This shift was associated to the change of dielectric environment because a smaller nanotube coverage by the DNA molecule as compared with those caused by the anionic surfactants. The surfactant molecules cover most of the nanotube surface while the DNA coverage is guided by the self-organization of DNA macromolecule around the nanotube in a helical conformation. The higher exposure of the nanotube surface to the water molecules in DNA system is responsible for the increase in the effective dielectric constant and, consequently, for the redshift in the optical transition energies due to excitonic effects. We have also focused our attention on the role played by the type of surfactant, surfactant concentration, and SWNT concentration on the efficiency of the emission of light by the suspended nanotubes. Based on the fact that the OA intensity is proportional to the concentration of nanotubes in the solution, while the PL signal is quenched when SWNT are aggregated into bundles, it was demonstrated in this work that the ratio between PL and OA intensities gives comparative information on emission efficiency. The PL/OA ratio can be associated, as a first approximation, with the relative amount of isolated nanotubes in the solution, since a nanotube dispersion which presents a high isolated/bundle ratio is expected to maximize the light emission efficiency. SWNT and surfactant concentrations are strongly related to the emission efficiency since different aggregation states are obtained when different concentrations of SWNT and surfactant are used for dispersing SWNT in water. Using this approach, it was possible to determine the best conditions to improve the PL efficiency of SWNT dispersions here investigated. Experimental results have shown that the SWNT concentration follows the sequence: NaDDBS < NaC < DNA < SDS. However, even though NaDDBS and NaC led to dispersions with the lowest net SWNT concentrations, the PL/absorption ratio analysis showed they are the best dispersing agents to obtain the highest concentrations of individually SWNT using the dispersion procedure performed in this work. In DNA and SDS dispersion, most of the SWNT are in the form of ropes or bundles, decreasing the efficiency of light emission.

Nenhuma / Este trabalho teve como objetivo o estudo da purificação de uma amostra comercial de nanotubos de carbono (NTCs) produzida pelo método de arco-elétrico a partir de grafite contendo catalisadores Ni/Y pela empresa Carbolex, Inc. (EUA). O trabalho teve também como objetivos investigar a eficiência de uma rota alternativa de funcionalização para introdução de grupos hidroxilas (-OH) e a dispersabilidade das amostras bruta, purificada e funcionalizada em diferentes solventes. Estudou-se uma rota de purificação branda, baseada na combinação de etapas de oxidação em fase gasosa, seguidas de tratamento em solução de ácido clorídrico (HCl), com o objetivo de danificar minimamente as paredes dos NTCs evitando a introdução de funcionalidades. Tendo em vista os grandes desafios encontrados no estudo de purificação, a maior parte do trabalho foi dedicada a esta etapa. Os NTCs foram caracterizados após cada procedimento de purificação, quanto a sua morfologia e propriedades estruturais, visando monitorar o grau de eficiência dos procedimentos realizados para a eliminação de impurezas, bem como o efeito destes processamentos na integridade dos tubos. Após caracterização da amostra bruta por várias técnicas, observou-se alto teor de impurezas metálicas (42 at% de Ni, ou 59% em massa de Ni2O3), carbono amorfo e nanoesferas grafíticas (nano-onions) com diferentes graus de grafitização. Por MET, observou-se que a maior parte das nanopartículas metálicas está encapsulada em camadas grafíticas, recobertas ainda por carbono amorfo. Parte do metal pôde ser analisada por XPS que indiciou a existência de Ni metálico (69%) e Ni2O3 (31%). Por TG, foi demonstrado que cerca de 9% do material apresenta alto grau de grafitização, queimando a temperaturas próximas a 700C. Dois protocolos de purificação foram investigados. No protocolo I, a amostra foi submetida a dois tratamentos térmicos de oxidação, seguidos por refluxo em solução de HCl, e no protocolo II, uma etapa adicional de refluxo em ácido foi realizada, logo após a primeira queima em argônio. Ambos os protocolos foram precedidos por uma etapa comum de extração de fulerenos em tolueno. Houve redução considerável do teor metálico após os processos de purificação I e II, atingindo os valores de 15 e 10 at% de Ni, respectivamente. Ni e Y não puderam ser detectados por XPS nas amostras purificadas pelos protocolos I e II, indicando que todo o material metálico restante estava encapsulado. Quanto à presença de carbonos não desejados, observou-se por MET e TG/DTG que, embora os dois protocolos tenham sido eficientes para retirar todo o carbono amorfo, parte das nanoesferas de carbono permaneceu nas amostras. Foram vistos, contudo, por MET, vários anéis grafíticos vazios, comprovando que o tratamento multi-etapas permitiu romper a camada de carbono para o ataque ácido dos metais. Após o protocolo II, não foram mais observadas nanoesferas com alto grau de grafitização nas medidas de TG/DTG, comprovando que o método foi eficiente para modificar a superfície destas nanopartículas. Não foi detectada por espectroscopia Raman a presença de grupos retiradores de carga, como carboxilas e hidroxilas, após os protocolos de purificação, sugerindo que não houve adição destas funcionalidades em grande extensão. Após o protocolo II, houve um aumento da razão entre as intensidades das bandas D e G, o qual pode estar associado a introdução de defeitos e/ou funcionalização das impurezas de carbono ainda presentes. As diferenças observadas na dispersabilidade em solventes para as amostras bruta e purificadas foram, da mesma forma, atribuídas à presença de impurezas de carbono funcionalizadas. Embora a amostra obtida pelo protocolo II ainda não estivesse com a pureza ideal, foi empregada uma rota química baseada na reação com NaOH catalisada por hidróxido de tetrabutilamônio (TBAH), visando à introdução de grupos -OH. A amostra funcionalizada apresentou um aumento significativo na dispersabilidade frente a todos os solventes testados, com exceção do hexano, no qual não houve nenhuma dispersão. Os melhores resultados foram observados para o diclorometano e THF, apresentando também boa dispersabilidade em água e nos solventes contendo grupos aminas e hidroxilas. Estes resultados comprovam que houve uma forte modificação química da amostra. Embora não tenha sido possível caracterizar a extensão da modificação química nos SWNTs, devido à presença de alto teor de impurezas de carbono na amostra, este resultado motiva a realização de novos estudos empregando esta rota de funcionalização. / The objective of this work was to study the purification of a sample of commercial carbon nanotubes (CNTs) produced by the Carbolex arc-discharge method using the catalyst mixture Ni/Y (4/1 at. %). Another objective of this work was to investigate an alternative functionalization route for the introduction of hydroxyl groups (-OH) onto CNT sidewalls and to evaluate the dispersability of the as-grown, purified, and functionalized samples in different solvents. A soft purification method based on the combination of gas-phase oxidation treatments, followed by the liquid-phase oxidation steps in an aqueous HCl solution with a minimal introduction of defects and functional groups was investigated. In view of the great challenges faced in purification studies, most of the work was dedicated to this stage. The CNT morphology and structural properties were characterized after each purification procedure to monitor the degree of efficiency of the purification procedures, as well as the effect of them on tube integrity. The characterization of the asgrow sample by several techniques, revealed a high degree of metallic impurities (42 at% of Ni, or 59% w/w of Ni2O3), amorphous carbon and graphitic nanospheres with different degrees of graphitization. TEM showed that most of the metallic nanoparticles were encapsulated by graphitic layers and covered by amorphous carbon. Part of the metal could be analyzed by XPS, which indicated the presence of metallic Ni (69%) and Ni2O3 (31%). TG demonstrated that approximately 9% of the material presented a high degree of graphitization, burning at temperatures around 700 C. Two purification protocols were investigated. In protocol I, the sample was submitted to two thermal oxidation treatments followed by reflux in HCl solution. In protocol II, an additional stage of reflux in acid was carried out soon after the first burning in argon. Both protocols were preceded by a common stage of extraction of fullerenes in toluene. Purification processes I and II resulted in a significant reduction of the metallic level, reaching 15 and 10 at% of Ni, respectively. XPS could not detect Ni and Y in the samples purified using protocols I and II, indicating that all the remaining metallic material was encapsulated. As for the presence of undesirable carbons, TEM and TG/DTG showed that even though both protocols were efficient in removing all amorphous carbon, part of the carbon nanospheres remained. However, it was noticed by the TEM that there were several empty graphitic rings , proving that the multi-stage procedure allowed for breaching the carbon layer for the acid attack of the metals. After protocol II and taking into account the TG/DTG levels, nanospheres with a high degree of graphitization were not noticed anymore, which proved that the method was efficient in modifying the nanoparticles surface. Raman spectroscopy revealed the presence of extractor groups, such as carboxylics and hydroxilics, which were not detected after the purification protocols. This suggests that these functionalities were not added extensively. The increase in the ratio between the intensities of bands D and G after protocol II may be associated with the introduction of defects and/or functionalization of the carbon impurities still present. The differences observed in the dispersability in the solvent of as-grow and purified samples were also attributed to the presence of functionalized carbon impurities. Although the purity of the sample obtained using protocol II was not ideal yet, a chemical procedure based on the reaction with NaOH catalyzed by tetrabutyl ammonium hydroxide (TBAH) was employed to introduce OH groups. The functionalized sample presented a significantly increased dispersability in regard to all the solvents tested, with the sole exception of hexane, in which no dispersion happened. The best results were observed using dichlorinemethane and THF; good dispersability was also observed in water and in solvents containing amine and hydroxyl groups. The strong chemical change of the sample has been demonstrated, even though it was not possible to characterize the extension of the SWNT chemical changes, due to presence high levels of carbon impurities in the sample. This result encourages further research using this route of functionalization.