Estudos da Funcionalização do Grafeno e sua Estabilidade em Solventes Variados

Abstract

O grafeno é um material altamente promissor devido às suas propriedades excepcionais, que permite sua utilização em diversas áreas, desde a fabricação de dispositivos eletrônicos até aplicações em materiais de construção civil. No entanto, o uso do grafeno em meios líquidos apresenta uma limitação significativa. As dispersões de grafeno não são estáveis na maioria dos solventes e os métodos convencionais utilizados para produzi-las não são eficientes. Nesse trabalho, foram realizadas duas modificações no grafeno por meio da funcionalização com grupos oxigenados e nitrogenados em sua estrutura. Os materiais resultantes foram analisados e comparados com o grafeno comercial utilizando técnicas como análise elementar, análise termogravimétrica e espectroscopia na região do infravermelho. Os resultados indicaram alterações estruturais nos materiais funcionalizados. A fim de avaliar a formação de dispersões estáveis, foram testados cinco diferentes solventes: água, etilenoglicol, dimetilformamida, tolueno e 1,2-diclorobenzeno. Essas dispersões foram preparadas utilizando um ultrassom de ponta, sendo estabelecido um tempo de 10 minutos de sonicação. A análise das dispersões revelou uma melhora significativa dos materiais funcionalizados nos solventes água, etilenoglicol e 1,2-diclorobenzeno. Além disso, as dispersões em dimetilformamida demonstraram estabilidade por mais de duas semanas com os três materiais de grafeno. A partir das dispersões, foram produzidos filmes que foram avaliados quanto à sua homogeneidade e melhor preenchimento do substrato de vidro. Os filmes formados a partir da dispersão em tolueno foram os que apresentaram melhores resultados em comparação aos demais solventes. Além disso, a análise goniométrica dos filmes evidenciou as diferenças de hidrofilicidade dos materiais modificados. Vale ressaltar que os valores de energia superficial obtidos para os filmes de grafeno comercial foram próximos aos valores encontrados na literatura para o mesmo tipo de substrato utilizado.

Graphene is a highly promising material due to its exceptional properties, which allows its use in several areas, from the manufacture of electronic devices to applications in civil construction materials. However, the use of graphene in liquid media has a significant limitation. Graphene dispersions are not stable in most solvents and the conventional methods used to produce them are not efficient. In this work, two modifications were made to graphene through functionalization with oxygenated and nitrogenated groups. The resulting materials were analyzed and compared with commercial graphene using techniques such as elemental analysis, thermogravimetric analysis and infrared spectroscopy. The results indicated structural alterations in the functionalized materials. In order to evaluate the formation of stable dispersions, five different solvents were tested: water, ethylene glycol, dimethylformamide, toluene and 1,2-dichlorobenzene. These dispersions were prepared using tip sonication, with a sonication time of 10 minutes being established. The analysis of the dispersions revealed a significant improvement of the functionalized materials in water, ethylene glycol and 1,2- dichlorobenzene solvents. Furthermore, the dimethylformamide dispersions demonstrated stability for more than two weeks with all three graphene materials. From the dispersions, films were produced and were evaluated for their homogeneity and better filling of the glass substrate. The films formed from the dispersion in toluene were the ones that presented the best results compared to the other solvents. Furthermore, the goniometric analysis of the films showed differences in the hydrophilicity of the modified materials. It is noteworthy that the surface energy values obtained for the commercial graphene films were close to the values found in the literature for the same type of substrate used.