Síntese e caracterização de pontos quânticos de carbono e produção de nanocompósitos poliméricos fotoluminescentes

Abstract

Pontos quânticos de carbono (PQCs) são partículas luminescentes quasi-esféricas e menores que 100 nm de diâmetro. Devido à propriedade de fotoluminescência, ao seu baixo custo e toxicidade, os PQCs têm sido foco de estudos no desenvolvimento de dispositivos relacionados à energia, meio–ambiente e bio-imageamento. Dentro deste contexto, este trabalho está dividido em duas etapas: i) síntese de PQCs e ii) produção de nanocompósitos poliméricos. A síntese dos PQCs foi realizada através do método potenciostático em uma célula eletroquímica, onde as soluções utilizadas para o método foram: água deionizada e soluções de acetona/água em diferentes concentrações. A incorporação da acetona em água na síntese teve como objetivo promover passivação por ligação covalente, melhorando a qualidade de emissão fotoluminescente. De acordo com a análise de Microscopia Eletrônica de Transmissão, as nanopartículas obtidas apresentaram diâmetros de 1,6 à 2,5 nm. As propriedades óticas dessas nanopartículas foram caracterizadas por espectroscopias de fotoluminescência (PL) e absorbância, através das quais, foi possível observar a passivação dos defeitos de superfície dos PQCs sintetizados na presença de acetona, proporcionando emissões mais seletivas e de maior energia. Após a otimização dos parâmetros de síntese, os PQCs foram utilizados na fabricação de nanocompósitos poliméricos de Poli (vinil álcool) (PVA) sobre substrato de silício. As propriedades óticas desses filmes foram analisadas através de imagens de microscopia confocal de fluorescência, onde evidenciou-se a incorporação de propriedades fotoluminescentes ao PVA. Os nanocompósitos poliméricos fotoluminescentes em silício são potenciais candidatos na aplicação em displays, células fotovoltaicas e sensores. Porém, de forma geral, obtiveram-se filmes com algumas estruturas aglomeradas de PQCs na forma de filamentos e pontos dispersos de diversos tamanhos e geometrias. Os filmes obtidos em PQCs passivados (obtidos em acetona/água) apresentaram melhor dispersão no polímero e menor tendência de formar aglomerados. Assim, trabalhos futuros devem ser direcionados para otimizar a dispersão das nanopartículas em filmes poliméricos, uma vez que os PQCs apresentam elevada tendência de aglomerar-se devido sua elevada energia superficial. Assim, os resultados deste trabalho demonstram a versatilidade dos PQCs no controle e a otimização de seus fenômenos óticos, além da viabilidade de emprego em nanocompósitos poliméricos, abrindo oportunidades para um amplo campo de aplicações.

Carbon quantum dots (CQDs) are quasi-spherical luminescent particles smaller than 100 nm diameter. Due to their photoluminescent properties, low cost and toxicity, CQDs have been the focus of studies for the development of related energy devices, environment and bio-imaging applications. In this context, this work aims the development of the CQDs and their subsequent application in the production of polymeric nanocomposites. Photoluminescent polymer nanocomposites on silicon substrates are potential candidates for application in displays, photovoltaic cells and sensors. The synthesis of the CQDs was performed by the potentiostatic method in an electrochemical cell. The solutions used for the method were: deionized water and acetone / water solutions at different concentrations. The incorporation of acetone in the synthesis had the objective to promote passivation by covalent bonding, improving the quality of photoluminescence. According to the analysis of Transmission Electron Microscopy, the obtained nanoparticles had diameters of 1.6 to 2.5 nm. The optical properties of these nanoparticles were characterized by photoluminescence (PL) and absorption spectroscopy. These studies indicate the presence of acetone in the synthesis yield the passivation of surface defects of the CQDs providing more intense, selective and higher energy emissions. After optimizing the parameter ́s synthesis, the CQDs were used in the production of poly (vinyl alcohol) (PVA) polymer nanocomposites on silicon substrate. The optical properties of these films were analyzed by fluorescence confocal microscopy images, where the incorporation of photoluminescent properties to the PVA was evidenced. In general, films with some agglomerated structures of CQDs in the form of filaments and scattered points of various sizes and geometries were obtained. The films obtained in passivated CQDs (obtained in acetone / water) presented better dispersion in the polymer and less tendency to form agglomerates. Future work will be directed to optimize the dispersion of nanoparticles in polymer films, since the CQDs have a high tendency to agglomerate due to their high surface energy. Thus, the results of this work demonstrate the versatility of carbon quantum dots in the control and optimization of their optical phenomena, as well as the feasibility of using polymer nanocomposites, opening opportunities for a wide range of applications.