Nanotubos de carbono

NANOTUBOS DE CARBONO PARA
ESTOCAGEM DE ENERGIA POR
ADSORÇÃO DE
HIDROGÊNIO: ESTADO DA ARTE E
PERSPECTIVAS
Autores:
Luís Fernando Maestro
Carlos Alberto Luengo
Grupo de Combustíveis Alternativos (GCA), DFA/
IFGW, UNICAMP.
 Acadêmicos: Aldino Polo
Arielle Fornari
Angélica Benedetti
1

RESUMO
 Apresenta-se o panorama atual das pesquisas em
síntese de nanotubos de carbono, sua purificação e
resultados obtidos até o momento na
armazenagem de energia através da sua
capacidade na adsorção de hidrogênio.
2

INTRODUÇÃO
 Um combustível alternativo de forte interesse
econômico é o hidrogênio, pois é leve, abundante e
o resultado de sua oxidação é vapor de água. Seu
principal desafio é quanto ao armazenamento.
 Nanotubos de carbono, por apresentarem uma
grande área superficial poderiam ser uma saída.
 A meta é atingir o armazenamento de 6,5 em % de
massa para que se torne viável economicamente.
3

NANOTUBOS
 Nanotubos de carbono (NTC) são uma nova classe de
materiais descobertos em 1991 por Sumio Iijima e
apresentam destacáveis propriedades
mecânicas, elétricas e térmicas.
 Devido a sua grande razão entre comprimento (mícrons)
e diâmetro (nanômetros), os NTC podem ser
considerados estruturas unidimensionais.
 São flexíveis e não se quebram ao serem curvados.
Estas propriedades poderiam se deformar com a
diminuição do raio e variando a helicidade.
4

RESISTÊNCIA MECÂNICA À TRAÇÃO DE DIVERSOS MATERIAIS DE
ALTA PERFORMANCE EM COMPARAÇÃO AOS NANOTUBOS DE
CARBONO
5

 A condutividade térmica dos NTC é
altíssima, sendo considerada uma das maiores
entre os materiais conhecidos.
6

FULERENO (BULCKYBALL)
 Nanotubos de carbono são fulerenos alongados e
que podem ser vistos como camadas de grafite
enroladas na forma de cilindros.
 Fulereno é a terceira forma mais estável do carbono,
após diamante e grafite.
Fulereno mais conhecido
Esta é uma molécula de forma
esférica constituída por sessenta
átomos de carbono (C60).
7

 Em geral, existem dois tipos de NTC: os de paredes
simples (NTPS) e os de parede múltipla (NTPM).
8

NTPS
Uma característica importante
da estrutura dos NTPS é a
helicidade da rede
bidimensional da grafite em
relação ao eixo do tubo, pois
as propriedades físicas
dependem fortemente do seu
diâmetro e helicidade (Saito et
alli., 1998).
Uma maneira simples de representar os
NTPS é considerar uma camada simples de grafite e
enrolá-la até formar um cilindro. 9

10
Várias observações experimentais indicam
que os diâmetros dos NCPS variam entre 0,7 nm e
1,3 nm e seus comprimentos podem atingir dezenas
de micrômetros.

NTPM
 Os NTPM são
constituídos de duas
ou mais camadas
simples de cilindros
concêntricos
(Venegas, 2002).
11

TÉCNICAS DE PRODUÇÃO DE NTC
 Deposição Química por Vapor: Chemical Vapor
Deposition (CVD)
 Descarga por Arco Elétrico
 Ablação a Laser
12

DEPOSIÇÃO QUÍMICA POR VAPOR
 Custo baixo, requer temperaturas de deposição
relativamente baixas, e consiste na decomposição
de vapores precursores contendo átomos de
carbono sobre um catalisador (óxidos de metais de
transição).
14

TÉCNICAS DE PURIFICAÇÃO
 As técnicas de purificação podem ser divididas em dois
grupos: separação seletiva de estrutura e seleção seletiva de
tamanho.
 A de estrutura visa separar os NTC das demais estruturas e
formas existentes na amostra, enquanto a de tamanho visa
dar mais homogeneidade na distribuição dos diâmetros.
 Evita-se sempre uma diminuição do
carbono amorfo e outras formas de
carbono e, consequentemente, um
aumento do rendimento e uma
distribuição de diâmetros e tamanhos
dos NTC mais homogênea, por isso
recorre-se a técnicas de purificação. Carbono amorfo
15

TÉCNICAS DE PURIFICAÇÃO
 Entre os métodos de purificação encontra-se a
oxidação química: promove a digestão de boa
parte das partículas metálicas, de parte do carbono
amorfo e de grafite, e leva também à abertura dos
nanotubos.
 O sucesso e a eficácia dos métodos depende das
condições de síntese, ou seja, da quantidade de
carbono não-nanotubo presente na amostra.
 A oxidação em temperatura programada é uma
técnica adequada por ocorrer em altas
temperaturas, e assim, elimina outras formas de
carbono que não os nanotubos (Herbst, 2004). 16

ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO
 O hidrogênio é o elemento mais abundante da
Terra. O modo mais limpo de produção é através
da eletrólise da água.
 O hidrogênio consumido no mundo é cerca de
5.1010 kg/ano e é, em sua maioria, produzido a
partir de combustíveis fósseis e H2O em altas
temperaturas, que resulta em H2 e CO2
(Schlapbach L. and Züttel A., 2001).
 A energia química por massa de hidrogênio (142
MJ. Kg-1) é no mínimo três vezes maior que de
outros combustíveis químicos.
17

 Uma vez produzido, é um combustível sintético limpo
e quando queimado com oxigênio, o único gás de
exaustão é vapor de água:
 Apresenta-se na fase líquida a –250 C, o que dificulta
armazenamento;
 O hidrogênio adsorve em superfícies sólidas,
dependendo da pressão e temperatura aplicadas. 18
ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO

Densidade de Armazenagem calculada em % de massa como função
do número de camadas (azul) e como função do diâmetro
(vermelho).
19

 Quais são os NTC mais adequados à armazenagem de
hidrogênio?
 A partir desse resultado viu-se que os esforços de síntese
têm que caminhar na direção de NTPS e com diâmetros
grandes.
20

CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
 No GCA (Grupo de Combustíveis Alternativos) será
desenvolvido um sistema para o estudo da
armazenagem de hidrogênio, onde se pretende
fazer a adsorção através de um fluxo contínuo do
gás referido em uma câmara e, através da
mudança da massa da amostra, medir o quanto foi
adsorvido.
 O desenvolvimento de um sistema eficiente e que
permita tirar resultados confiáveis ainda é um
problema na área.
 Conseguir que uma maior quantidade de material
carbonoso se converta na estrutura de NTC
significa que será possível eliminar uma etapa
custosa e danosa do processo.
21

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 Dresselhaus, M.S. (Chair), Basic Research Needs for the Hydrogen
Economy, Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Hydrogen
Production, Storage and Use, May 13-15, (2003).
 Herbst, M.H, Santos LT, II Congresso Brasileiro de Carbono, 64 (2004).
 Hirscher, M., et alli, Applied Physics A, 72 ,129-132 (2001).
 Iijima S., Nature 354, 56-58 (1991).
 Reynhout, R.D., et alli, Eindhoven University of Technology, The Wondrous World
of Carbon
 Nanotubes, http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.htm, (2003).
 Saito, R., Takeya T., Kimura T., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S., Phys. Rev.
B 57 4145-4153, (1998).
 Schlapbach, L., Züttel, A., Nature 414 353-358 (2001).
 Tibbets, G.G., Meisner, G.P., Olk CH, Carbon 39, 2291-2301 (2001).
 Venegas, J.G.R., Tese de Doutorado, IFGW-UNICAMP (2002).
 NANOTECNOLOGIA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, Departamento de
Física – Instituto de Geociências e Ciências Exatas Campus de Rio Claro – Unesp
(Universidade Estadual Paulista).
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