Carbon allotropes have taken central stage of nanotechnology in the last two decades. Today, fullerenes, carbon nanotubes (CNTs), and graphene are essential building blocks for nanotechnology. Their superlative electrical, thermal and mechanical properties make them desirable for a number of technological applications ranging from lightweight strong materials to electrical wires and support for catalysts. However, transferring the exceptional single molecule properties into macroscopic objects has presented major challenges. This thesis demonstrates that carbon nanotubes and graphite dissolve in superacids and these solution can processed into macroscopic objects. Chapter 2 reviews neat CNT fiber literature. Specifically, the two main processing methods —solid– state and solution spinning — are discussed. CNT aspect ratio and fibers structure are identified as the main variables affecting fiber properties. Chapter 3 shows that graphite can be exfoliated into single-layer graphene by spontaneous dissolution in chlorosulfonic acid. The dissolution is general and can be applied to various forms of graphite, including graphene nanoribbons. Dilute solutions of graphene can be used to form transparent conductive films. At high concentration, graphene and graphene nanoribbons in chlorosulfonic acid forms a liquid crystal and can be spun directly into continuous fibers. Chapter 4 describes a solution–based method to form a thin CNT network. This network is an ideal specimen support for electron microscopy. Imaging nanoparticles with atomic resolution and sample preparation from reactive fluids demonstrate the unique feature of solution–based CNT support compared to state–of–the–art TEM supports . Chapter 5 describes CNT liquid crystalline phase. Specifically, CNT nematic droplets shape and merging dynamics are analyzed. Despite nanotube liquid crystals having been reported in various CNT systems, a number of anomalies such as low order parameter and spaghetti–like, nematic droplets are reported. However, CNTs in chlorosulfonic acid show elongated, bipolar droplets typical of other rod–like molecules. Moreover, their large aspect ratio allows capturing the transition from homogeneous to bipolar transition expected from scaling arguments.The equilibrium shape and merging dynamics demonstrate the liquid nature of CNT liquid crystals. Chapter 6 describes the CNT/chlorosulfonic acid fiber spinning. The influence of starting material, spinning dope concentration, spin draw ratio and coagulation on fiber properties is discussed. The linear scaling of fiber strength with CNT aspect ratio is demonstrated experimentally, once the best properties from different batches are compared. Moreover, Successful multi–hole spinning demonstrates the intrinsic scalability of wet spinning to meet the typical production output of industrial–scale spinning. Chapter 7 compares acid–spun CNT fibers to other CNTs fibers as well as existing engineered materials. Acid–spun CNT fibers combine the typical specific strength of high–strength carbon fibers to the thermal and electrical conductivity of metals. These properties are obtained because of a highly aligned, dense structure. The combined strength and electrical conductivity allow acid-spun fibers to be used as structural as well as conducting wire while the combined electrical and thermal properties allow for exceptional field emission properties. In conclusion, we demonstrate that multifunctional properties of carbon nanotubes that have fuelled much of the research in the past 20 years, can be attained on a macroscopic level via rational design of fluid–phase processing.

Para que o processo de produção de biodiesel se torne auto-sustentado, ou seja, socialmente, ecologicamente e economicamente viáveis, alguns aspectos químicos ainda precisam ser estudados e aprimorados. Dentre estes, dois são relevantes: alta eficiência no rendimento da reação e o uso de catalisadores de maneira ecologicamente responsável. Para atendê-los é necessário o uso de catalisadores eficientes, robustos, e facilmente manipuláveis com baixo impacto ao meio ambiente. Para atingir tais objetivos, foi estudado o uso de diferentes catalisadores heterogêneos e métodos analíticos para a determinação do rendimento e caracterização dos produtos formados pela reação de esterificação do ácido oléico, principal componente do óleo de soja, utilizando-se o Etanol e um catalisador heterogêneo à base de sílica, o ormosil. A reação de transesterificação do óleo de soja também foi estudada utilizando-se o Etanol e catalisadores ácidos homogêneos e heterogêneos. / For the biodiesel production process to become self-sustaining, namely, sociably, environmentally and economically viable some chemical aspects have to be studied and improved. Among all of its aspects, two of them are relevant: high efficiency on the reaction yield and the use of catalysts in an environmentally responsible way. To attend to these, the use of, robust and easily manipulated with low environmental impact efficient catalysts is necessary. In order to attain to these objectives, the use of different heterogeneous catalysts and analytical methods for the determination of the yield and characterization of the products formed by the esterification reaction of oleic acid, the main component of soy bean oil, using ethanol and a silica based heterogeneous catalyst, the ormosil, was be studied. The transesterification reaction of the soy oil was also studied, making use of ethanol and homogeneous and heterogeneous acid catalysts.

In our times, the chemical catalysis of the hydrolysis reaction, solubilization and degradation of cellulose, the base metal has attracted great interest due to the large potential in terms of activity and selectivity, or the possibility of developing products and / or chemical processes that are associated with the use of clean technologies. In this work the catalytic systems MoO3 / TiO2 and SO4 -2 / TiO2 were synthesized by sol-gel method, followed by wet impregnation of molybdenum or sulfate in the application for conversion of cellulose into sugars, a process called hydrolysis. After synthesis, the same were characterized by checking the crystal structure, the presence of phases, morphology and dispersion of material on the support and through the techniques of infrared spectroscopy. However, after the impregnation of molybdenum or sulfate in the textural changes occurred. Thermogravimetric curves were used in determining the composition of molybdenum and sulfate present in the materials. Through the analysis of infrared absorption of pyridine, was observed sites acids in the material, which provided catalytic activity toward the hydrolysis reactions, solubilization and degradation of cellulose. / Hodiernamente, a catálise química da reação de hidrólise, solubilização e degradação da celulose, a base de metais tem despertado grande interesse, devido ao grande potencial em termos de atividade e seletividade, ou da possibilidade de desenvolvimento de produtos e/ou processos químicos que estejam associados ao uso de tecnologias limpas. Assim, este trabalho tem como propósito desenvolver sistemas catalíticos SO4 -2 / TiO2 e MoO3 / TiO2 pelo método sol-gel, seguido da impregnação úmida do molibdênio ou sulfato para aplicação nos processos de hidrólise, solubilização e degradação da celulose com o intuito de obter açúcares fermentáveis e outros produtos de interesse industrial. Após a síntese, os mesmos foram caracterizados verificando a estrutura cristalina, presença de fases, morfologia e dispersão dos materiais sobre o suporte e através das técnicas de espectroscopia na região do infravermelho. No entanto, após a impregnação do molibdênio ou sulfato ocorreu alterações nas propriedades texturais, assim como a mudança na temperatura de calcinação alterou as propriedades morfologicas destes catalisadores. As curvas termogravimétricas auxiliaram na determinação da composição de molibdênio e sulfato presente nos materiais. Através das análises de infravermelho com adsorção de piridina, foi possível observar os sítios ácidos presentes nos materiais, o que proporcionou atividade catalítica frente as reações de hidrólise, solubilização e degradacão da celulose.

Para que o processo de produção de biodiesel se torne auto-sustentado, ou seja, socialmente, ecologicamente e economicamente viáveis, alguns aspectos químicos ainda precisam ser estudados e aprimorados. Dentre estes, dois são relevantes: alta eficiência no rendimento da reação e o uso de catalisadores de maneira ecologicamente responsável. Para atendê-los é necessário o uso de catalisadores eficientes, robustos, e facilmente manipuláveis com baixo impacto ao meio ambiente. Para atingir tais objetivos, foi estudado o uso de diferentes catalisadores heterogêneos e métodos analíticos para a determinação do rendimento e caracterização dos produtos formados pela reação de esterificação do ácido oléico, principal componente do óleo de soja, utilizando-se o Etanol e um catalisador heterogêneo à base de sílica, o ormosil. A reação de transesterificação do óleo de soja também foi estudada utilizando-se o Etanol e catalisadores ácidos homogêneos e heterogêneos. / For the biodiesel production process to become self-sustaining, namely, sociably, environmentally and economically viable some chemical aspects have to be studied and improved. Among all of its aspects, two of them are relevant: high efficiency on the reaction yield and the use of catalysts in an environmentally responsible way. To attend to these, the use of, robust and easily manipulated with low environmental impact efficient catalysts is necessary. In order to attain to these objectives, the use of different heterogeneous catalysts and analytical methods for the determination of the yield and characterization of the products formed by the esterification reaction of oleic acid, the main component of soy bean oil, using ethanol and a silica based heterogeneous catalyst, the ormosil, was be studied. The transesterification reaction of the soy oil was also studied, making use of ethanol and homogeneous and heterogeneous acid catalysts.

The chemical catalysis of the cellulose conversion reaction via hydrolysis / solubilization and degradation and conversion of glucose via dehydration, the basis of heterogeneous solid acid catalysts has aroused great interest due to the great potential in terms of activity and selectivity or the possibility of development of chemical products and / or processes (Green chemistry) associated with the use of clean technologies. Thus, this work proposes the synthesis and characterization of TiO2 - based catalytic systems followed by wet impregnation of molybdenum oxide and catalytic tests against the conversion of cellulose and glucose in order to obtain fermentable sugars and other products of interest in fine chemistry. The work was divided in two topics where the first study the variation of the concentration of MoO3 in TiO2. Initially, TiO2 catalysts were synthesized by the sol-gel method and MoO3/TiO2 (with different concentrations of molybdenum oxide) by the wet impregnation method and calcined at 550 ° C for 4 hours under atmospheric conditions. Subsequently, different characterizations were made in order to know the structure and the acid nature of these catalysts. These catalysts were used in reaction tests of cellulose conversion under the conditions of 190 ° C, at 1, 2 and 4 hours and with varying amount of catalyst. The catalysts showed catalytic activity against cellulose conversion, with the catalyst having 25% MoO3/TiO2, which presented the highest conversion percentage (21%) in the test at 190 ° C / 4 h. The higher conversion observed when using the 25% MoO3/TiO2 catalyst may be associated with a greater amount of available Lewis and Brönsted acidic sites and their available acid strength as shown by absorption spectroscopy analysis in the infrared region with adsorbed pyridine and programmed ammonia desorption temperature, respectively. Therefore, this catalyst was chosen for reuse studies and did not present activity after the first test under the condition of 190 ° C, at 2 hours. As well as, alteration of the calcination temperature to see its influence on the structural properties, and consequently, on the catalytic activity of the same. This will be investigated in the second topic of this paper. In the second topic, new catalysts (TiO2-300 and 25% MoO3/TiO2-300) were synthesized without MoO3 anchoring and another with 25% MoO3 anchored to TiO2, both calcined at 300 ° C under the same synthetic methods. They were characterized by different techniques and carried out tests of conversion of cellulose and glucose, in order to observe the evolution of the formation of the products. However, the change from the anatase phase to rutile of TiO2, predominantly, and consequent alteration in the catalytic activity was observed. Therefore, the catalyst with an anatase phase based on TiO2 calcined at 300 ° C showed higher activity than the rutile phase with a TiO2 base calcined at 550 ° C. In this context, it is important to note that after the impregnation of molybdenum, changes in the texture properties occurred, as well as the change in the calcination temperature altered the morphological properties of the catalysts, presenting a variation in the crystalline phases of MoO3 (orthorhombic and monoclinic). In this context, it is important to note that the relationship between Lewis acid sites and the Bronsted acid sites was verified, where a higher amount of Lewis acid sites was verified for calcined at 300 ° C. Thus, the catalysts that presented higher relative acidity provided higher conversions of cellulose and glucose with formation of sugars and acetic acid, respectively. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A catálise química da reação de conversão da celulose e derivados, via hidrólise, solubilização e degradação, a base de catalisadores heterogêneos sólidos ácidos tem despertado grande interesse, devido ao potencial em termos de atividade e seletividade, ou em função da possibilidade de desenvolvimento de produtos e/ou processos químicos que estejam associados ao uso de tecnologias limpas. Assim, este trabalho propõe a síntese e caracterização de sistemas catalíticos a base de TiO2 seguido da impregnação úmida do óxido de molibdênio e testes catalíticos frente a conversão da celulose e glicose com o intuito de obter açúcares fermentáveis e outros produtos de interesse da química fina. O trabalho foi dividido em dois tópicos, em que o primeiro estuda a variação da concentração de MoO3 em TiO2. Inicialmente, sintetizou-se os catalisadores TiO2 pelo método sol-gel e o MoO3/TiO2 (com diferentes concentrações de óxido de molibdênio) pelo método de impregnação úmida e calcinados a 550°C por 4 horas em condições atmosféricas. Logo em seguida, foram feitas diferentes caracterizações a fim de conhecer a estrutura e a natureza ácida desses catalisadores. Esses catalisadores foram usados em testes reacionais de conversão da celulose sob as condições de 190 °C, a 1, 2 e 4 horas e com variação na quantidade de catalisador. Os catalisadores apresentaram atividade catalítica frente a conversão da celulose, sendo o catalisador 25 % MoO3/TiO2 o que apresentou maior porcentagem de conversão (21 %) no teste a 190 °C /4 h. A maior conversão observada quando do emprego do catalisador 25 % MoO3/TiO2 pode ser associada a maior quantidade de sítios ácidos de Lewis e Brönsted e sua força ácida, disponíveis, como mostra a análise de espectroscopia de absorção na região do infravermelho com piridina adsorvida e temperatura programada de dessorção de amônia, respectivamente. Logo, esse catalisador foi escolhido para estudos de reuso e não apresentou atividade após o primeiro teste sob a condição de 190 °C, a 2 horas. Assim como, alteração da temperatura de calcinação para ver sua influência sobre as propriedades estruturais, e consequentemente, na atividade catalítica do mesmo. Isso será investigado no segundo tópico desse trabalho. Posteriormente, no segundo tópico foram sintetizados novos catalisadores (TiO2-300 e 25% MoO3/TiO2-300) sem a ancoragem de MoO3 e outro com 25 % de MoO3 ancorado ao TiO2, ambos calcinados a 300 °C, sob os mesmos métodos de síntese. Foram caracterizados por diferentes técnicas e realizados testes de conversão da celulose e glicose, a fim de observar a evolução da formação dos produtos. Contudo, foi observada a mudança da fase anatase para rutilo do TiO2, predominantemente, e consequente alteração na atividade catalítica. Portanto, o catalisador com fase anatase a base de TiO2 calcinado a 300 ºC apresentou atividade superior a com fase rutilo a base de TiO2 calcinado a 550 ºC. Nesse âmbito, é imprescindível destacar que após a impregnação do molibdênio ocorreram alterações nas propriedades texturais, assim como, a mudança na temperatura de calcinação alterou as propriedades morfológicas dos catalisadores, apresentando uma variação nas fases cristalinas do MoO3 (ortorrômbica e monoclínica). Nesse contexto, é importante destacar que foi feita a relação entre sítios ácidos de Lewis e os sítios ácidos de Bronsted, e foi verificado uma maior quantidade de sítios ácidos de Lewis para àqueles calcinados a 300 °C. Sendo assim, os catalisadores que apresentaram maior acidez relativa proporcionaram maiores conversões da celulose e glicose com formação de açúcares e ácido acético, respectivamente.