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Engenharia de Nanomateriais

 

Engenharia de Nanomateriais

Esta linha de pesquisa volta-se ao estudo de processos de síntese de materiais nanoestruturados e suas aplicações em diferentes áreas tecnológicas. Com equipamentos e tecnologia de ponta, caracterizações quanto a estrutura, composição, propriedades e desempenho são realizadas para aprofundar o conhecimento sobre os fenômenos interfaciais envolvidos em nanoescala. Diversos materiais são estudados para o desenvolvimento de produtos, processos e novas tecnologias, como, por exemplo, nanopartículas, nanorrevestimentos, nanomembranas, nanomateriais estruturais e nanomateriais funcionais. Fundamentos de diferentes técnicas de preparação, como por exemplo, sol-gel, tratamentos hidrotérmicos, deposição-precipitação, pirólise, deposição fria de vapor, plasma frio e ancoragem, são estudados com vistas à sua aplicação na síntese de catalisadores, adsorventes e biomateriais. Adicionalmente, esta linha também inclui técnicas de modelagem e simulação de materiais em escala nanométrica, como por exemplo, dinâmica molecular, Monte Carlo, dinâmica Browniana, elementos finitos, além de modelagem multi-escala.

 

Projetos de pesquisa:

 

Deposição de filmes de carbono fluorado para obtenção de superfícies de aço nanoestruturadas superhidrofóbicas

Descrição: Metais com propriedades superhidrofóbicas são de grande interesse para aplicações industriais devido a propriedades específicas, como autolimpeza, redução do atrito, resistência à corrosão e à incrustação. Estes fatores geralmente exigem que altos valores de ângulo de contato com a água venham acompanhados de uma baixa adesão à superfície. Em geral, busca-se mimetizar exemplos da Natureza, como por exemplo, a folha de Lotus, que possui uma superfície duplamente estruturada nas escalas micro e nanométrica, e é recoberta por uma cera que aprimora as propriedades de molhabilidade. Assim, a molhabilidade é determinada tanto pela rugosidade, quanto pela composição química superficial, de modo que a hidrofobicidade pode ser aprimorada com o aumento da rugosidade e a redução da energia de superfície pela manipulação química. Este trabalho tem o objetivo desenvolver uma nova rota para a obtenção de superfícies de aço superhidrofóbicas por meio da micro/nanoestruturação superficial por ataque químico promovido por soluções ácidas brandas, e a redução da energia de superfície pela deposição a plasma de filmes finos utilizando um hidrocarboneto fluorado de baixo custo utilizado em sistemas de refrigeração. Em uma primeira etapa, substratos metálicos de aço inoxidável são submetidos a ataques químicos utilizando-se soluções ácidas diluídas para promover modificações superficiais no aço. As superfícies obtidas são caracterizadas por microscopia eletrônica. Em um segundo momento, os filmes de carbono fluorado são produzidos e caracterizados por FTIR, Raman, XPS e medidas de ângulo de contato. Os resultados obtidos mostram que os tratamentos superficiais desenvolvidos podem produzir superfícies de aço superhidrofóbicas por meio de um processo simples em poucos minutos.

Professor Responsável: Sérgio Alvaro de Souza Camargo Junior

 

 

Desenvolvimento de filmes e membranas poliméricas híbridas nanoestruturadas de permeabilidade controlada

Descrição: A permeabilidade de filmes e membranas poliméricas tem sido explorada para diversas aplicações industriais e de caráter biomédico. Dependendo do seu uso como barreira ou como meio de separação, deseja-se reduzir ou controlar seletivamente a passagem de moléculas de tamanho e natureza química distintos. Embalagens, revestimentos e tintas, sensores, e dispositivos de separação são exemplos de algumas aplicações. Fluxos e seletividades são os principais parâmetros que qualificam estes filmes e membranas para um determinado uso. A estrutura (química, molecular e supra-molecular, e as morfologias observadas nas escalas nano e microscópica) determinam o uso, e permitem, do ponto de vista fundamental, gerar critérios e estratégias de desenvolvimento de materiais e de dispositivos funcionais. As linhas de pesquisa conduzidas ao redor deste tema exploram algumas das aplicações citadas. A Engenharia e a Nanotecnologia tem potencial de contribuir na solução dos grandes desafios tecnológicos atuais, e que varrem grande gama de setores: destacam-se os principalmente voltados a uma sustentabilidade nas áreas de energia, agua, saúde e preservação do meio ambiente. Igualmente relevante, reside o desafio do desenvolvimento de produtos e processos que facilitem o cotidiano da população e que permitam melhorar sua qualidade de vida. Entre algumas aplicações de interesse, atualmente sendo investigados nos nossos laboratórios, reside a melhoria das propriedades de barreira de filmes poliméricos para uso em embalagens de alimentos, e para revestimento de tanques contendo produtos voláteis como combustíveis e pesticidas.

Professor Responsável: Alberto Claudio Habert

 

 

Desenvolvimento de ligas e compostos intermetálicos nanoestruturados para uso como armazenadores de hidrogênio

Descrição: Ligas nanoestruturadas a base de Mg, além de compostos a base de Ti-Cr são desenvolvidas com o intuito de armazenar elevadas quantidades de hidrogênio sob. Catalisadores são desenvolvidos para melhorar a cinética de absorção e desorção de hidrogênio neste projeto. As ligas são processadas por via metalúrgica o que inclui a moagem mecânica a fusão e solidificação rápida entre outras técnicas. A capacidade de armazenamento de hidrogênio é determinada para cada liga obtida. As técnicas de análise isotermas pressão-concentração de hidrogênio, calorimetria diferencial e difração de raios-x. O objetivo principal é a construção de protótipos de reservatórios armazenadores de hidrogênio para uso veicular em substituição aos combustíveis fósseis além de aplicações estacionárias como fonte alternativa de energia. Cabe ressaltar que trata-se de uma fonte limpá de elevado valor energético e é apontado como uma excelente alternativa ao uso de combustíveis fósseis.

 Professor Responsável: Dilson Silva dos Santos

 

 

Desenvolvimento de membranas híbridas nanoestruturadas para separações de misturas de líquidos orgânicos

Descrição: O rápido esgotamento dos recursos fósseis fez com que décadas atrás se iniciasse o desenvolvimento de tecnologias para produzir combustíveis renováveis menos nocivas ao meio ambiente. Para isso, produtos tais como o etanol e butanol são misturados aos combustíveis fósseis. Os dois podem ser obtidos por fermentação de diferentes tipos de açúcares; no entanto, um dos maiores desafios é a baixa produtividade devido à inibição que apresentam os micro-organismos pela presença dos produtos. As tecnologias que usam membranas seletivas oferecem a possibilidade de recuperar estes solventes com uma concentração mais elevada e usando menos energia do que os processos convencionais. Trabalhos recentes mostram que o uso de partículas inorgânicas dispersas em uma matriz poliméricas (MMM, membranas de matriz mista) podem aumentar consideravelmente o fluxo de permeado, mantendo ou aumentando a seletividade da membrana. Com base nisso, o presente projeto propõe o desenvolvimento de membranas de matriz mista contendo nanopartículas de carbono para ser utilizado, primariamente na pervaporação para a recuperação de solventes orgânicos de meios de fermentação.

Professor Responsável: Alberto Claudio Habert

 

 

Desenvolvimento de superfícies metálicas anti-incrustantes revestidas e não revestidas

Descrição: A deposição de incrustações salinas é um problema que tem atraído grande atenção tanto do ponto de vista tecnológico, quanto do ponto de vista fundamental. Trata-se de um grave problema enfrentado por vários setores da indústria, como por exemplo, a dessalinização, o aquecimento solar de água e a indústria de óleo e o gás que acarreta em problemas operacionais e severas perdas de produção e prejuízo. Embora técnicas de remoção e prevenção da formação das incrustações sejam rotineiramente utilizadas na indústria, estas muitas vezes não conseguem obter as eficiências desejadas ou podem ser muito dispendiosas. Uma abordagem alternativa para este problema se constitui no emprego de tratamentos e/ou recobrimentos de superfícies que possam minimizar a formação e adesão destes depósitos. Por outro lado, embora a influência das variáveis físico-químicas como temperatura, velocidade de escoamento e pH, sobre o processo de deposição de incrustações seja bem compreendido, não existe ainda um consenso sobre os mecanismos que regem a influência das propriedades de superfície dos substratos no processo de formação das incrustações salinas. Neste projeto são estudados diferentes tratamentos de superfície para controle da topografia e rugosidade superficial, como por exemplo, o nanopolimento, bombardeamento a plasma, ataques químicos e eletroquímicos. Alternativamente, estuda-se também a influência da utilização de recobrimentos nanocompósitos de baixa energia de superfície, tanto os de matriz polimérica quanto os inorgânicos depositados por técnicas a plasma. Os ensaios de incrustação salina (carbonatos e sulfatos) são realizados utilizando o método do cilindro rotatório e a quantidade de incrustação obtida por gravimetria. A caracterização das superfícies, revestimentos e depósitos formados é realizada por microscopia eletrônica, microscopia de força atômica (AFM), medidas de ângulo de contato, para obtenção da energia de superfície, espectroscopia de fotoelétrons (XPS) e espectroscopia Raman

Professor Responsável: Sérgio Alvaro de Souza Camargo Junior

 

 

Ligas Metalicas Nanocristalinas para uso com Hidrogênio

Descrição: Esta linha de pesquisa se divide em duas linhas que são i) armazenamento de hidrogênio e ii) armazenamento de hidrogênio em ligas nanoestruturadas. Embora os objetivos sejam divergentes pois um lado (fragilização) tem como foco a inibição da entrada do hidrogênio na liga, a outra linha visa justamente obterem-se ligas metálicas capazes de absorver grandes quantidades de hidrogênio e serem utilizadas como armazenadoras de energia. Nas ligas resistentes a fragilização pelo hidrogênio, tem sido desenvolvidas microestruturas capazes de impedir e solubilizar grandes quantidades de hidrogênio sem fragilizar. Citam-se como exemplo as ligas contendo precipitados óxidos nanoestruturados na matriz metálica. Quanto ao armazenamento de hidrogênio sólido, são produzidas ligas de magnésio e/ou titânio, com partículas nanoestruturadas que caalisam a reção do hidrogênio gasoso na superfície metálica produzindo assim uma cinética extremamente rápida da absorção de hidrogênio atômico no volume da liga. Nestes temas importanes pesquisas são também realizada as quais envolve a geração de nanocubos de paládio para uso como catalisadores obtidos por síntese orgânica e o estudo fundamental da interação hidrogênio com a microestrutura e nanoprecipitados usando primeiros princípios

Professor Responsável: Dilson Silva dos Santos

 

Nanocompósitos com base em carbono do tipo diamante contendo Nanopartículas

Descrição: Esse projeto tem como objetivo a preparação e caracterização de filmes nanocompósitos a partir da incorporação de nanopartículas em filmes de carbono do tipo diamante (diamond-like carbon, DLC). A técnica utilizada para a produção dos filmes é conhecida como PECVD (do ingês, plasma enhanced chemical vapour deposition) assistida por RF-rádio frequência. Durante a deposição do DLC serão adicionadas nanopartículas de SiO2, TiO2, nanotubos, entre outras que podem ser produzidas durante o processo de deposição. Em particular, pretende-se depositar filmes a partir de um precursor líquido (heptano, p. ex.) como fonte de carbono. São avaliadas as propriedades mecânicas e tribológicas dos filmes, como por exemplo, dureza, módulo de Young, tensão interna, resistência ao desgaste, coeficiente de atrito e rugosidade. Além disso, são empregadas técnicas de caracterização para a observação da incorporação das nanopartículas, tais como MEV, MET, AFM, Raman e FTIR.

 Professor Responsável: Sérgio Alvaro de Souza Camargo Junior

Nanocompósitos de carbono amorfo do tipo diamante (DLC) com adição de nanopartículas

Descrição: Estudo de nanocompósitos de filmes de carbono tipo diamante (diamond-like carbon – DLC) com adição de nanopartículas utilizando hidrocarbonetos líquidos como precursores. Os filmes de DLC são depositados pela técnica de deposição química em fase vapor auxiliada por plasma de radiofrequência (PECVD). Nanopartículas de sílica, alumina, titânia, dentre outras, podem ser adicionadas ao material uma vez que sejam adequadamente funcionalizadas de forma a obter uma boa dispersão no hidrocarboneto. A caracterização físico-química e estrutural dos filmes obtidos é realizada por técnicas tais como, perfilometria, microscopia eletrônica, microscopia de força atômica, espectroscopia de infravermelho, Raman e espectroscopia de fotoelétrons XPS. A caracterização das propriedades mecânicas dos filmes é feita utilizando a nanoindentação e das propriedades tribológicas por ensaios de pino-sobre-disco. Além da compreensão da estrutura dos filmes nanocompósitos e da sua relação com suas propriedades mecânicas e tribológicas, este projeto tem o objetivo de desenvolver recobrimentos nanocompósitos com baixo coeficiente de atrito e/ou alta resistência ao desgaste para utilização em aplicações específicas das indústrias metal-mecânica e de óleo e gás.

Professor Responsável: Sérgio Alvaro de Souza Camargo Junior

Nanoindentação de materiais a base de cimento

Descrição: Aplicação da nanotecnologia com a finalidade de melhorar propriedades ou inferir novas funcionalidades a materiais ou conjunto de materiais dentro da indústria de petróleo, a fim solucionar problemas operacionais desafiadores. Este projeto visa preparação de nanosistemas sólidos e líquidos sobre diferentes problemas ocorrentes na indústria de petróleo, utilizando a presença de argilominerais, polímeros, nanopartículas magnéticas, óleos vegetais, entre outros. Alguns dos problemas são: o tratamento de emulsões óleo em água, quando presente em grande quantidade em poços de petróleo maduro; remoção de contaminantes orgânicos e inorgânicos de fluidos aquosos para redução de impacto ambiental, provocado pelo descarte de águas contaminadas ou pelo derramamento de petróleo em mar; incompatibilidade química pelo uso de diferentes produtos químicos concomitantemente. Duas linhas já estão associadas a esses problemas, o preparo de nanocompósitos magnéticos com diferentes tipos de argilominerais, com a presença ou não de polímeros para aumentar a hidrofobicidade dos sistemas e o preparo de nanoemulsões de óleo em água para inserção de produtos químicos usados na indústria com distintas solubilidades, em água e em óleo. Para produção desses sistemas, nanocompósitos e nanoemulsões, diferentes métodos de preparo e caracterização são usados, a avaliação de metodologia, capacidade adsortiva, estabilidade e ainda desenvolvimento de diferentes composições desses sistemas são um dos principais focos desse projeto de pesquisa. Outro foco é a avaliação da sua eficácia nas operações de produção de petróleo e tratamento de óleo e de água.

Professora responsável: Luciana Spinelli Ferreira

 

 

Preparação e caracterização de superfícies recobertas por buckypapers

Descrição: O buckypaper é uma matriz de nanotubos de carbono (CNTs) não alinhados dispostos em uma trama semelhante a um papel que é mantido coeso por interações de Van der Waals. Este estudo tem como objetivo a preparação destes materiais por meio da técnica de filtração a vácuo e sua aplicação sobre superfícies de materiais metálicos e/ou poliméricos, com o objetivo de controlar sua molhabilidade. Além disso, objetiva-se também reduzir a refletividade ótica da superfície ao menor valor possível. As superfícies recobertas podem encontrar diversas aplicações, em particular em coletores solares. Os buckypapers funcionalizados e não funcionalizados são preparados segundo diferentes rotas e em seguida aplicados sobre as superfícies de maneira a aderir sobre elas. Após a preparação, a superfície pode ser submetida a uma etapa adicional de tratamento (químico ou a plasma) de forma a modificar sua molhabilidade. Microscopias eletrônicas de varredura e transmissão são utilizadas para a caracterização superficial dos filmes. A molhabilidade é obtida por medidas de ângulo de contato, enquanto que a refletividade das superfícies é medida por refletometria UV-VIS-IR.

Professor responsável: Sérgio Álvaro de Souza Camargo Jr.

 

 

Recobrimentos nanoestruturados e tratamentos de superfície para redução da formação de incrustações salinas

Descrição: Incrustações salinas representam um grande problema tecnológico para diversas áreas da indústria, tais como óleo e gás, minero-metalúrgica, sistemas de refrigeração e trocadores de calor, etc. Em particular, a incrustação por carbonato de cálcio, é um grande problema que tem sido enfrentado na indústria de óleo e gás, visto que a sua ocorrência pode resultar na redução de fluxo de óleo nos dutos e até mesmo na interrupção das operações, levando a grandes prejuízos financeiros. Assim sendo, várias estratégias têm sido testadas, como métodos de remoção da incrustação, uso de químicos anti-incrustantes ou uso de tecnologia de membranas, com sucesso limitado. Neste projeto, adota-se uma nova abordagem que consiste no desenvolvimento de superfícies de baixa energia e rugosidade controlada, de forma a minimizar a nucleação e adesão destes depósitos salinos. Estão sendo desenvolvidas duas linhas de trabalho. Na primeira, são investigados recobrimentos com base em carbono amorfo do tipo diamante depositados pela técnica de deposição química a vapor assistida por plasma, com a incorporação de outros elementos, como por exemplo, oxigênio e flúor. Na segunda linha, são utilizados revestimentos à base de epóxi, amplamente empregados pela indústria de petróleo, modificados pela adição de nanopartículas. Os recobrimentos utilizados são caracterizados quanto à sua estrutura e propriedades, e seu desempenho anti-incrustante é avaliado por meio de ensaios de deposição de carbonato de cálcio.

Professor responsável: Sérgio Álvaro de Souza Camargo Jr.

 

 

Síntese de catalisadores à base de cobre (Cu), cério (Ce) e ferro (Fe) suportados em nanotubos de carbono para a redução de NOx por CO

Descrição: Catalisadores metálicos à base de Cu e Ce suportados em nanotubos de carbono de paredes múltiplas serão sintetizados através de um tratamento por impregnação ao ponto úmido para serem posteriormente avaliados na redução catalítica de NOX com CO. A deposição das nanopartículas na superfície interna e externa dos nanotubos de carbono será realizada de forma seletiva. Os catalisadores serão caracterizados por fluorescência e difração de raios X (FRX e DRX), fisissorção de nitrogênio, redução com programação de temperatura (TPR), microscopia eletrônica de varredura e transmissão (MEV e MET), quimissorção, espectroscopia Raman, espectroscopia fotoelectrônica de raios X (XPS) e reação superficial com programação de temperatura (TPSR) a fim de avaliar a estabilidade, seletividade e atividade catalítica. Propõe-se também realizar um estudo para avaliar a estabilidade isotérmica dos catalisadores durante longos períodos de reação.

Professor responsável: Martin Schmal

 

 

Síntese de catalisadores à base de metais de transição suportados em nanotubos de carbono e sua aplicação na reação de oxidação preferencial do monóxido de carbono (prox-co)

Descrição: Catalisadores monometálicos de cobre (Cu) e ferro (Fe) e bimetálico de Cu-Fe suportados em nanotubos de carbono de paredes múltiplas serão preparados pelo método de impregnação ao ponto úmido, sendo posteriormente avaliados na reação de oxidação preferencial de monóxido de carbono (PROX-CO) com a presença de CO2 (dióxido de carbono) e H2O (vapor de água) na corrente de alimentação. Os catalisadores (Cu/NTC, Fe/NTC e Cu-Fe/NTC) serão caracterizados por fluorescência e difração de raios X (FRX e DRX), fisissorção de nitrogênio (análise textural), redução com programação de temperatura (TPR), microscopia eletrônica de varredura e transmissão (MEV e MET), quimissorção, espectroscopia Raman, espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS) e reação superficial com programação de temperatura (TPSR) com o objetivo de relacionar os resultados de caracterização com seu desempenho catalítico. Propõe-se também a realização de um estudo para avaliar a estabilidade isotérmica dos catalisadores durante longos períodos de reação.

Professor responsável: Martin Schmal

 

Síntese de compostos inorgânicos nanoestruturados

Descrição: O presente projeto tem como objetivo geral estudar a síntese de diferentes materiais inorgânicos nanoestruturados. Especificamente fosfatos de cálcio nanoestruturados, e fosfatos modificados pela inclusão de metais serão sintetizados usando métodos de precipitação e hidrotérmico. Os materiais preparados serão testados como adsorventes e fotocatalisadores. Uma segunda linha de pesquisa focaliza a síntese de óxidos de ferro, cobre e zinco nanoestruturados, usando os métodos hidrotérmico e precipitação. Objetiva-se o controle da forma, através do estudo dos parâmetros de preparação. Materiais produzidos serão testados como adsorventes e fotocatalisadores

Professora responsável: Vera Maria Martins Salim

 

 

Síntese de óxidos de ferro nanoestruturados

Descrição: Síntese e caracterização de óxidos de ferro nanoestruturados através da coprecipitação alcalina, objetivando a obtenção de fases puras, avaliação da estabilidade e potencial em aplicações tecnológicas, tais como catálise, fotocatálise e adsorção de metais de transição. Avaliação da influência de surfactantes nas nanoestruturas

Professora responsável: Vera Maria Martins Salim

 

 

Síntese e caracterização de catalisadores de cobre/paládio suportados em óxido de grafeno reduzido para aplicação na reação de redução de NO por CO

Descrição: Neste projeto é proposto o estudo de catalisadores metálicos de cobre (Cu) dispersos sobre uma matriz de óxidos de grafeno reduzido (OGR) na reação de redução de NO por CO. Busca-se também estudar o efeito da adição de paládio (Pd) como promotor no catalisador à base de cobre. O óxido de grafeno reduzido foi obtido a partir dos processos de oxidação de grafite, com posterior expansão e redução empregando métodos térmicos de redução. Em seguida, os metais (Cu e Pd) foram depositados sobre o óxido de grafeno reduzido empregando-se o método de impregnação ao ponto úmido. O suporte e os catalisadores foram caracterizados por meio de várias técnicas de caracterização, tais como difração de raios X, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, análise termogravimétrica e redução a temperatura programada, entre outros. As análises foram realizadas visando estabelecer uma correlação entre os resultados de caracterização e o seu comportamento catalítico

Professor responsável: Martin Schmal

 

 

Síntese e caracterização de catalisadores de prata suportados em grafeno e sua aplicação na oxidação do etileno.

Descrição: O principal objetivo do projeto é sintetizar grafenos com metais de prata, cobre e bimetálicos, visando a oxidação de etileno. Foram utilizados métodos modificados visando alta área superficial e métodos de impregnação e co-impregnação de metais e bimetais. Os nanomateriais foram caracterizados por diferentes técnicas visando determinar a estrutura, dispersão de metais e sitios superficiais. Testes catalíticos foram realizados para avaliar o desempenho do catalisador na reação de oxidação do etileno

Professor responsável: Martin Schmal