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NANOTUBOS DE CARBONO PARA ESTOCAGEM DE ENERGIA POR

ADSORÇÃO DE HIDROGÊNIO: ESTADO DA ARTE E

PERSPECTIVASAutores:Luís Fernando MaestroCarlos Alberto LuengoGrupo de Combustíveis Alternativos (GCA), DFA/ IFGW, UNICAMP.

Acadêmicos: Aldino Polo Arielle Fornari Angélica Benedetti

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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.

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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.

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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.

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

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A condutividade térmica dos NTC é altíssima,

sendo considerada uma das maiores entre os

materiais conhecidos.

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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).

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Em geral, existem dois tipos de NTC: os de

paredes simples (NTPS) e os de parede múltipla

(NTPM).

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NTPSUma 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.

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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.

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NTPM Os NTPM são

constituídos de duas ou mais camadas simples de cilindros concêntricos (Venegas, 2002).

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TÉCNICAS DE PRODUÇÃO DE NTC

Deposição Química por Vapor: Chemical Vapor Deposition (CVD)

Descarga por Arco Elétrico

Ablação a Laser

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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).

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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

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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).

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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.

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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.

ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO

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

diâmetro (vermelho).

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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.

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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.

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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).