Pesquisadores produzem material nanoestruturado com potencial de uso em catalisadores e filtros

Manta de nanofibras de óxido de titânio foi desenvolvida por equipe do ITA e da Universidade Brasil por meio de técnica de eletrofiação e de deposição por camada atômica

José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Nanofibras de óxido de titânio (TiO2) podem ter várias aplicações, como o uso em catalisadores e filtros. Sob a incidência de luz ultravioleta, o óxido de titânio promove a degradação de material orgânico. Daí sua aplicabilidade em filtragem, por exemplo, de água de reúso.

Um novo método de fabricação dessas fibras foi desenvolvido por Rodrigo Savio Pessoa e Bruno Manzolli Rodrigues, pesquisadores do Laboratório de Plasmas e Processos do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (LPP-ITA) e do Instituto Científico e Tecnológico da Universidade Brasil (ICT-UB), no âmbito de um projeto apoiado pela FAPESP. Artigo a respeito foi publicado na revista Materials Today: Proceedings.

“A técnica usada, de deposição por camada atômica, permite promover o crescimento do material camada a camada ou até mesmo molécula a molécula”, disse Rodrigo Savio Pessoa à Agência FAPESP.

No trabalho, o óxido de titânio foi depositado sobre nanofibras de PBAT [poli(butileno adipato co-tereftalato)], um biopolímero rapidamente degradável na natureza, ao contrário do PET (polietileno tereftalato), que permanece intacto por décadas.

O primeiro passo foi produzir uma membrana de nanofibras de PBAT, o que se fez por meio de uma técnica semelhante à usada na confecção de algodão doce, mas empregando procedimento eletrostático.

“A partir de uma solução de PBAT, a técnica de eletrofiação produz um conjunto de fibras do material, com espessuras da ordem de centenas de nanômetros. Esse conjunto de fibras compõe a manta usada como substrato”, disse Pessoa.

O passo seguinte foi recobrir cada fibra com óxido de titânio. “A deposição por camada atômica usa precursores do material de interesse, gerados a partir de gás ou de líquidos rapidamente evaporados por baixa pressão. No caso, empregamos como precursores o tetracloreto de titânio (TiCl4) e a água (H2O). Isso foi feito em câmara de vácuo aquecida a 100º C e a 150º C”, disse o pesquisador.

A liberação do TiCl4 foi feita em pulsos sucessivos de 0,25 segundo cada. Liberado no vácuo, o TiCl4 rapidamente evapora e reage com a superfície das fibras do polímero, ligando-se a radicais hidroxila (OH-) e oxigênio (O2-) presentes no material.

Como o tetracloreto de titânio não reage com ele mesmo, o pulso inicial preencheu apenas uma monocamada. Esta foi, em seguida, oxidada com vapor de água. O hidrogênio ligou-se ao cloro e o oxigênio ao titânio, formando então a primeira monocamada de óxido de titânio.

Esse procedimento foi repetido cerca de mil vezes, fazendo a estrutura de óxido de titânio crescer, camada a camada. Para retirar o substrato de PBAT e deixar os nanotubos de óxido de titânio livres, o material foi aquecido a 900º C, de forma controlada. Resultou disso a manta de nanotubos de óxido de titânio, cada qual com cerca de 100 nanômetros de espessura.

“Como a técnica de deposição se baseia em reações de superfície, ela consegue cobrir uniformemente as fibras, ‘encapando’ uma a uma. É relativamente simples, mas exige automação, para que as quantidades de material e o tempo de dispersão sejam rigorosamente controlados”, disse Pessoa.

Como material para filtragem, a manta de nanotubos de óxido de titânio combina uma virtude mecânica, impedindo a passagem de corpúsculos maiores do que uma certa espessura, com uma virtude bioquímica, por gerar radicais que, irradiados por luz UV, facilmente degradam a matéria orgânica. O fato de ser composta por nanofibras faz com que a manta tenha uma grande área superficial, o que aumenta consideravelmente a taxa de reações.

O estudo foi apresentado na conferência anual da Sociedade Brasileira de Materiais, em 2018.

O artigo Atomic layer deposition of TiO2 thin films on electrospun poly (butylene adipate-co-terephthalate) fibers: Freestanding TiO2 nanostructures via polymer carbonization (doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.02.003), de Bruno V. M. Rodrigues, Vanessa M. Dias, Mariana A. Fraga, Argemiro S. da Silva Sobrinho, Anderson O. Lobo, Homero S. Maciel e Rodrigo S. Pessoa, está disponível em https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785319300380.