Artigo em destaque: Poliestireno, de poluidor a remediador ambiental.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Conversion of “Waste Plastic” into Photocatalytic Nanofoams for Environmental Remediation. Geovania C. de Assis, Euzébio Skovroinski, Valderi D. Leite, Marcelo O. Rodrigues, André Galembeck, Mary C.F. Alves, Julian Eastoe, and Rodrigo J. de Oliveira. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10 (9), pp 8077–8085. DOI: 10.1021/acsami.7b19834.

Poliestireno, de poluidor a remediador ambiental

Uma equipe composta por sete pesquisadores do Brasil e um do Reino Unido desenvolveu um material duplamente positivo para o meio ambiente. Os cientistas utilizaram resíduos de poliestireno, que seriam potenciais poluidores ambientais, para produzir um material que funciona como remediador ambiental ao degradar compostos tóxicos presentes em corpos e cursos de água. Dessa maneira, a pesquisa faz uma contribuição a dois preocupantes problemas ambientais: por um lado, a presença de grandes quantidades de resíduos plásticos no planeta; por outro lado, a poluição ou contaminação de ecossistemas aquáticos com substâncias tóxicas.

A pesquisa foi reportada em artigo recentemente publicado no periódico Applied Materials & Interfaces (fator de impacto= 7,504).

Vale lembrar que o poliestireno é utilizado para fabricar copos e talheres descartáveis, potes de iogurte, pentes, cabides, caixas organizadoras e muitas outras utilidades, além de ser componente principal do conhecido isopor®. “Apresentamos uma alternativa de reutilização de um dos plásticos mais demandados pela sociedade”, diz o professor Rodrigo José de Oliveira, da Universidade Estadual da Paraíba (UEPB), autor correspondente do artigo.

Imagem MEV da nanoespuma.
Imagem MEV da nanoespuma.

O material desenvolvido pelo time científico consiste em uma matriz polimérica porosa impregnada de nanopartículas de dióxido de estanho (SnO2). Nesse material compósito, enquanto as nanopartículas são as principais responsáveis por degradarem as tintas por meio de um processo fotocatalítico, a matriz polimérica, que é produzida a partir dos rejeitos de poliestireno, cria um ambiente favorável à ação fotocatalítica e serve de suporte às nanopartículas, permitindo que sejam facilmente removidas das águas que estão sendo tratadas, e reutilizadas em novos processos de remediação ambiental.

O novo material compósito foi chamado pelos autores do artigo de “nanoespuma”. Apesar de terem alguns centímetros de diâmetro e poros de alguns micrometros, as espumas ganharam o prefixo “nano” porque suas propriedades fotocatalíticas decorrem da presença do dióxido de estanho em tamanho nanométrico (nanopartículas esféricas de cerca de 20 nm). “Nanomateriais são aqueles que apresentam novas propriedades em função de uma física distinta que surge nesta escala de tamanho”, lembra Oliveira.

Instrumentação utilizada para preparar as nanoespumas. A partir da esquerda: chapa de aquecimento para manter solução acima da temperatura de separação de fases, sistema de resfriamento Peltier e bomba de vácuo para remoção do solvente por sublimação.
Instrumentação utilizada para preparar as nanoespumas. A partir da esquerda: chapa de aquecimento para manter solução acima da temperatura de separação de fases, sistema de resfriamento Peltier e bomba de vácuo para remoção do solvente por sublimação.

Para obter as espumas compósitas, a equipe utilizou equipamentos de baixo custo e procedimentos baseados em propriedades físico-químicas muito conhecidas. O processo de preparação pode ser descrito, em grandes linhas, da seguinte forma. Num primeiro momento, pequenos pedaços de resíduos de poliestireno são dissolvidos em solvente ciclohexano, e as nanopartículas de dióxido de estanho, que neste caso foram fabricadas pela equipe, são adicionadas à solução. Essa parte do processo é realizada acima da chamada “temperatura teta (θ)” da solução de ciclohexano e poliestireno, que é de cerca de 36 °C, pois, abaixo dela, a solução sofre uma separação de fases. Num segundo momento, a preparação é levada por 10 minutos a uma temperatura de -10 °C. Como consequência dessa diminuição da temperatura, alguns fenômenos ocorrem. A solução separa-se em duas fases, uma rica em poliestireno e outra rica em ciclohexano, e o solvente congela. No final do processo de esfriamento, as fases ficam distribuídas de tal modo que formam uma estrutura de poliestireno com buracos recheados com ciclohexano congelado.  Para retirar o solvente das espumas, aplica-se um processo de liofilização, por meio do qual o ciclohexano acaba sublimando. Como resultado final, obtém-se o sólido poroso que os autores do artigo chamaram de nanoespumas.

“Demonstramos que um rejeito de poliestireno denso pode ser prontamente convertido em uma matriz polimérica porosa, desejável para confecção de novos materiais, ou seja, um fim nobre para uma poluição que tem mobilizado governos de países industrializados”, frisa o professor Oliveira.

box fotocataliseFinalmente, a equipe científica avaliou a eficiência do novo material como remediador ambiental, testando a capacidade das nanoespumas de degradarem um corante de aspecto magenta chamado rodamina B. Esse composto, que é usado como marcador nas áreas de saúde, pesquisa, agricultura e outras, é tóxico para o sistema reprodutivo e neurológico, e foi apontado em alguns estudos como agente cancerígeno.

As nanoespumas do professor Oliveira e seus colaboradores conseguiram degradar 98,2% da rodamina B – um resultado superior aos obtidos com nanopartículas fotocatalíticas fora da matriz de poliestireno. Além disso, as nanoespumas demonstraram um desempenho muito bom ao ser reutilizadas: degradaram mais de 96% da rodamina B nos quatro primeiros ciclos. “O uso de uma matriz é desejável pois facilita a recuperação final do fotocatalisador, uma vez que a espuma é facilmente retirada do meio com o uso de uma pinça metálica, além de aumentar a área superficial devido a uma maior dispersão do óxido na matriz”, diz Oliveira.

História do trabalho

Rodrigo de Oliveira estava cursando o doutorado quando teve a ideia, em 2011, de obter novos materiais catalíticos aproveitando a característica de algumas soluções de ter suas fases separadas por ação da temperatura (conhecida como “separação de fases termicamente induzida”, TIPS). Oliveira estava fazendo um estágio no exterior (o vulgarmente chamado “sanduíche de doutorado”) no grupo do professor Julian Eastoe, na University of Bristol. Nesse grupo, Oliveira tinha encontrado a dupla possibilidade de trabalhar com surfactantes, tema de sua pesquisa doutoral, e de melhorar seu domínio da língua inglesa. “Em Bristol, Julian me apresentou um trabalho publicado por ele décadas atrás sobre o uso de TIPS para estudar microemulsões e formação de espumas de carbonato de cálcio”, lembra Oliveira. Até o final do estágio, o então doutorando tinha desenvolvido uma espuma de surfactantes decorada com nanopartículas de ouro. Na Inglaterra, além de fazer esse trabalho em Bristol, Oliveira pôde fazer contato com um renomado grupo da Cardiff University dedicado à pesquisa em catálise, dirigido pelo professor Graham Hutchings. “A possibilidade de se obter novos materiais com fins catalíticos utilizando TIPS ficou na mente”, conta Oliveira.

Em 2012, Oliveira obteve o diploma de doutor em Química pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Pouco depois, ao passar em um concurso da UEPB, virou professor dessa instituição. O jovem pesquisador enxergou então a oportunidade de realizar aquela ideia gestada na Inglaterra. Para fazê-lo, ele deveria se aventurar numa nova linha de pesquisa, diferente daquelas nas quais tinha incursionado na graduação, mestrado e doutorado, mas ele já estava treinado nisso. De fato, na graduação, mestrado e doutorado em Química, todos cursados da UFPE e com orientação do professor André Galembeck, tinha abordado três temas de pesquisa bem diferentes. “André sempre foi aberto a propostas e ideias, inclusive aquelas que fugiam muito do histórico de pesquisa e atuação do grupo”, expressa Oliveira.

Coragem não faltava, mas Oliveira acabava de chegar na UEPB e não tinha infraestrutura disponível, nem os recursos financeiros necessários para montá-la. “De 2012 para cá nossa luta tem sido estabelecer um grupo de pesquisa em Físico-química de Materiais, e uma das linhas focadas é a utilização de TIPS para fazer materiais a partir de rejeito plástico”, diz ele. No caso das nanoespumas, o pesquisador conseguiu desenvolver o trabalho dentro da dissertação de mestrado de Geovânia Cordeiro de Assis, defendida em 2016 e orientada por Oliveira junto à professora Mary Cristina Ferreira Alves (co-orientadora).  Para o preparo das nanoespumas, a equipe utilizou equipamentos simples e baratos (“uma placa de refrigeração de 20 dólares comprada em site de importação da China e uma bomba de vácuo”). Para as caracterizações, que demandam equipamentos necessariamente mais custosos, Oliveira contou com a colaboração de colegas da UFPE, Universidade de Brasília e University of Bristol.

Outros materiais com aplicações ambientais deverão ser gerados na cidade paraibana de Campina Grande, mais precisamente no laboratório do professor Oliveira, aproveitando diversos tipos de plásticos, inclusive os de composição mais complexa como o isopor®, que é formado por poliestireno expandido e outros componentes químicos.  Além de desenvolver materiais para contribuir à remediação de ecossistemas, o grupo está utilizando-os para estudos mais fundamentais, que poderão gerar nanomateriais com estruturas sofisticadas.

“Infelizmente, nos deparamos constantemente com a falta de equipamentos de caracterização, e nos dias atuais nem os colaboradores com as melhores intenções têm mais recursos para nos ajudar como antes”, lamenta Oliveira. “Percebo que há recursos humanos de qualidade na nossa instituição; entretanto, mais investimentos em infraestrutura são fundamentais para manter a qualidade dos trabalhos, formação de recursos humanos e interiorização de ciência no estado da arte”, completa.

Autores principais do artigo. A partir da esquerda, Geovânia Cordeiro de Assis (atualmente doutoranda na UFAL), Mary Alves (docente permanente do PPGQ-UEPB), Julian Eastoe (professor da University of Bristol) e Rodrigo de Oliveira (coordenador do PPGQ-UEPB).
Autores principais do artigo. A partir da esquerda, Geovânia Cordeiro de Assis (atualmente doutoranda na UFAL), Mary Alves (docente permanente do PPGQ-UEPB), Julian Eastoe (professor da University of Bristol) e Rodrigo de Oliveira (coordenador do PPGQ-UEPB).

 

Artigo em destaque. Nanopartículas super eficientes para catalisar a produção de hidrogênio, um combustível alternativo.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Hybrid tantalum oxide nanoparticles from the hydrolysis of imidazolium tantalate ionic liquids: efficient catalysts for hydrogen generation from ethanol/water solutions. Virgínia S. Souza, Jackson D. Scholten, Daniel E. Weibel, Dario Eberhardt, Daniel L. Baptista, Sérgio R. Teixeira and Jairton Dupont. J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 7469-7475. DOI: 10.1039/C6TA02114J.

Nanopartículas super eficientes para catalisar a produção de hidrogênio, um combustível alternativo

Enquanto algumas unidades de carros que usam hidrogênio como combustível começam a ser comercializadas, cientistas de diversos lugares do mundo continuam trabalhando para encontrar as formas mais limpas, sustentáveis, seguras e econômicas de gerar e armazenar hidrogênio. De fato, apesar de ser o elemento mais abundante do universo e estar presente na água e em uma infinidade de outros compostos, o hidrogênio não pode ser encontrado em estado puro em nosso planeta, e precisa, portanto, ser obtido a partir de outros compostos.

Um dos melhores métodos, dos pontos de vista ecológico e econômico, para se produzir hidrogênio é o water splitting, que consiste na separação de moléculas de água em seus dois elementos primários, gerando os gases hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). Essa divisão pode ser realizada utilizando a energia abundante da luz solar, a temperatura ambiente. Porém, para que, na prática, a luz consiga dividir uma molécula de água, é necessário contar com a ajuda de nanopartículas feitas de determinados materiais semicondutores que funcionam como catalisadores ou, mais precisamente, fotocatalisadores.

Em um estudo totalmente realizado no Brasil, uma equipe de cientistas desenvolveu um novo método, simples e eficiente, para fabricar nanopartículas de óxido de tântalo (Ta2O5) com ótimo desempenho como catalisadores na geração de hidrogênio. A pesquisa foi reportada em um artigo recentemente publicado no periódico Journal of Materials Chemistry A (fator de impacto: 8,262).

Fotos dos autores principais do artigo. Começando pela esquerda do leitor: a doutora Virgínia Souza, o professor Jackson Scholten e o professor Jairton Dupont.
Fotos dos autores principais do artigo. Começando pela esquerda do leitor: a doutora Virgínia Souza, o professor Jackson Scholten e o professor Jairton Dupont.

O trabalho foi desenvolvido com financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), dentro da pesquisa de doutorado de Virgínia Serra Souza no Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IQ-UFRGS), sob orientação do professor Jairton Dupont.

“A ideia desta pesquisa surgiu quando buscávamos uma rota alternativa e eficiente para a síntese de nanopartículas de Ta2O5 e, então, após alguns experimentos, decidimos testar a possibilidade de utilizar líquidos iônicos como fontes e agentes estabilizantes dos nanomateriais”, conta o professor Jackson Damiani Scholten, um dos autores correspondentes do artigo e membro do grupo de pesquisa do IQ-UFRGS. Esse grupo tem ampla experiência no estudo e desenvolvimento de líquidos iônicos (sais que se apresentam em estado líquido a temperatura ambiente). Devido às suas propriedades físico-químicas, os líquidos iônicos podem ser usados durante a fabricação de nanopartículas como agentes estabilizantes, para manter as partículas na escala nanométrica.

Souza, Scholten e Dupont prepararam dois tipos de líquidos iônicos contendo tântalo e geraram as condições para que acontecesse a hidrólise (quebra de ligações químicas de um composto por efeito da adição de água). Os elementos resultantes da hidrólise, provenientes da água e do líquido iônico, se recombinaram formando as nanopartículas de óxido de tântalo.

A equipe pôde verificar que tinha produzido nanopartículas de óxido de tântalo de tamanho entre 1,5 e 22 nm, sendo que as menores tinham sido geradas a partir de um dos líquidos iônicos e as maiores, do outro. Com auxílio do professor Daniel E. Weibel, também do IQ-UFRGS, a composição superficial das nanopartículas foi estudada. Os cientistas propuseram que as nanopartículas obtidas eram híbridas: em volta do óxido de tântalo havia restos de líquido iônico.

Para ver como as nanopartículas se desempenhavam como catalisadores na separação de moléculas de água para geração de hidrogênio, a equipe realizou os testes fotocatalíticos em equipamentos do Instituto de Física da UFRGS, disponibilizados pelo professor Sérgio R. Teixeira. Os testes foram feitos numa solução contendo, além da água, etanol – composto que contribui ao aumento da taxa de produção de hidrogênio.

“Para nossa satisfação, as nanopartículas de Ta2O5 apresentaram um dos melhores resultados já publicados para a produção de H2 a partir de uma solução água/etanol”, lembra o professor Scholten. Esse resultado excepcional foi atribuído no artigo à presença de líquido iônico nas nanopartículas. “Acredita-se que o líquido iônico residual propicie a formação de uma região hidrofílica na superfície do Ta2O5 favorecendo a aproximação das moléculas polares (água e etanol)”, explica Scholten. Para terem mais certeza a respeito, os cientistas retiraram o líquido iônico das nanopartículas mediante um tratamento térmico e comprovaram que sua atividade fotocatalítica era muito baixa.

Em outra etapa da pesquisa, Dario Eberhardt, então professor da Universidade de Caxias do Sul (UCS), colaborou com a equipe na deposição de nanopartículas de platina de cerca de 1 nm na superfície das nanopartículas híbridas de óxido de tântalo pela técnica de sputtering, realizada no IF-UFRGS. O material foi caracterizado com o auxílio do professor Daniel L. Baptista, do IF-UFRGS. Com a adição da platina, o desempenho das nanopartículas de óxido de tântalo com líquido iônico nos testes fotocatalíticos foi ainda melhor.

Desta maneira, este trabalho desenvolvido na região Sul do Brasil apresentou um novo método de fabricação de catalisadores super eficientes para uso na produção de hidrogênio, um combustível alternativo promissor, a partir de água e etanol, dois recursos renováveis e abundantes.

figura NP para H2
Esta figura cedida pelos autores do artigo representa o processo de fabricação de nanopartículas de óxido de tântalo a partir da hidrólise de líquidos iônicos, seguida da deposição de nanopartículas de platina no primeiro material e, finalmente, a aplicação desse segundo material na obtenção de gás hidrogênio pelo processo de “water splitting”.