Síntese e caracterização microestrutural de nanoestruturas híbridas de nanotubos de carbono e nanotubos de Ni-TiO2

Abstract

O dióxido de titânio (TiO2) é um dos semicondutores mais pesquisados devido às suas propriedades óticas e à sua não-toxicidade. Porém, seu valor de band gap relativamente alto inibe sua eficiência quando o material é empregado em fotocatálise. Uma das maneiras de superar algumas das suas limitações é a síntese de nanoestruturas híbridas de TiO2 e nanotubos de carbono (NTC). Nanoestruturas unidimensionais, como nanotubos e nanofibras, possuem algumas propriedades superiores para serem empregadas em fotocatálise se comparadas com nanopartículas, como mobilidade eletrônica e razão área superficial/volume. Este trabalho apresenta a síntese e a caracterização de nanoestruturas híbridas de nanotubos de carbono e nanotubos de dióxido de titânio, obtidos por anodização eletroquímica com uso de níquel na solução (Ni-TiO2). Os nanotubos de Ni-TiO2 foram obtidos por anodização durante 1 h. Foi empregada tensão de 40 V. Subsequentemente, os nanotubos como-anodizados foram utilizados como substrato para obtenção de NTCs por Deposição Química de Vapor (CVD). Foram utilizadas as temperaturas de síntese por CVD de 550, 600, 650 e 700 ºC, com tempo de patamar de 10 min e hexano como precursor de carbono. A caracterização foi realizada por difração de raios X (DRX), espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). Os resultados indicam que a transformação de fase anatase-rutilo está relacionada com a formação de nanotubos de carbono. Durante a transformação da fase anatase para rutilo, os átomos de níquel se tornam disponíveis para catalisar o precursor de carbono e formar os nanotubos de carbono. Entre as temperaturas estudadas, a temperatura de 700 ºC se mostrou a mais eficiente para obtenção de NTCs, enquanto a temperatura de 550 ºC não foi suficiente para a formação de nanotubos de carbono. As análises por espectroscopia Raman e XPS indicam uma menor quantidade de vacâncias de oxigênio para as amostras preparadas em temperaturas superiores. A razão entre as intensidades das bandas D e G das amostras analisadas (ID/IG) variou de 0,876 até 1,029.

Titanium dioxide (TiO2) is one of the most researched semiconductors because of its optical properties and non-toxicity. However, its relatively high band-gap value inhibits its efficiency when the material is used in photocatalysis. One way to overcome some limitations of metal oxide is the synthesis of hybrid nanostructures of TiO2 and carbon nanotubes (CNT). Currently, several research projects focus on synthesizing and characterizing these hybrid nanostructures, but most of them employ TiO2 nanoparticles. One-dimensional nanostructures, such as nanotubes and nanofibers, have superior properties when used in photocatalysis if compared to nanoparticles, such as electron mobility and surface area/volume ratio. This work presents the synthesis and characterization of hybrid nanostructures of titanium oxide nanotubes obtained by electrochemical anodization using nickel in the solution (Ni-TiO2) and carbon nanotubes. Ni-TiO2 nanotubes were obtained by anodization for 1 h. A voltage of 40 V was employed. Subsequently, the as-anodized nanotubes were used as a substrate for obtaining CNTs by Chemical Vapor Deposition (CVD). For the CVD process, synthesis temperatures of 550, 600, 650, and 700 ºC were used during the CVD process, with a dwell time of 10 min and hexane as the carbon precursor. The characterization was performed using x-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results indicate that the anatase-rutile phase transformation is related to the formation of carbon nanotubes. During the transformation, nickel atoms become available to catalyze the carbon precursor and form carbon nanotubes. Among the temperatures studied, the temperature of 700 ºC proved to be the most effective for obtaining CNTs, whilst the temperature of 550 ºC did not form carbon nanotubes. Analyzes by Raman spectroscopy and XPS indicate a lower amount of oxygen vacancies for samples prepared at higher temperatures. The ratio between the intensities of the D and G bands (ID/IG) of the analyzed samples varied from 0.876 and 1.029.