A técnica XPS revela a química da superfície de materiais híbridos de origem biológica
A análise de superfícies contribui para o desenvolvimento de materiais de origem biológica
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Apenas algumas camadas atómicas na superfície podem influenciar significativamente a eficácia com que um material retém poluentes da água ou a eficiência com que um fotocatalisador responde à luz. Os investigadores do Instituto Fraunhofer de Investigação Aplicada em Polímeros (IAP) utilizam a espectroscopia fotoelétrica de raios X (XPS) para investigar os estados químicos e as interações nas superfícies e interfaces de materiais de carbono de origem biológica e de materiais híbridos orgânico-inorgânicos. As suas descobertas podem apoiar o desenvolvimento específico de materiais funcionais para futuras aplicações industriais.
O Dr. Jiyong Kim utiliza a técnica XPS para analisar a composição química de superfícies de materiais complexos no Fraunhofer IAP.
© Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties
Os materiais de base biológica e os sistemas híbridos associados estão a ser explorados para uma vasta gama de aplicações, incluindo o tratamento de água, processos catalíticos, dispositivos eletroquímicos e revestimentos funcionais. Combinam matérias-primas naturais com materiais inorgânicos, reunindo as propriedades de ambas as classes de materiais.
A função, a reatividade e a estabilidade dos materiais híbridos de base biológica podem depender fortemente dos ambientes químicos presentes nas suas superfícies e interfaces. Muitos métodos analíticos convencionais, no entanto, proporcionam apenas um acesso limitado a estes processos. Para o desenvolvimento de materiais, isto significa que as causas das diferenças de desempenho, dos efeitos do envelhecimento ou do comportamento inesperado dos materiais permanecem frequentemente pouco claras.
Borras de café, cascas de laranja e superfícies complexas: o que o XPS revela sobre a sua química
Numa série de estudos conjuntos liderados pelo grupo de investigação em Química dos Materiais do Professor Andreas Taubert, na Universidade de Potsdam, foram desenvolvidos e avaliados carbono de origem biológica e materiais híbridos para aplicações de purificação de água. O Fraunhofer IAP contribuiu com uma caracterização detalhada por XPS, centrando-se na composição da superfície, nos estados químicos e nas interações interfaciais. Os resíduos de café e as cascas de laranja serviram como matérias-primas renováveis para a produção de biocarvão, que foi posteriormente combinado com minerais argilosos e óxidos metálicos.
A questão-chave abordada pela análise XPS foi a forma como a formação destes materiais híbridos de base biológica e a sua combinação com componentes inorgânicos alteraram a química das suas superfícies e interfaces. Para encontrar respostas, o Dr. Jiyong Kim, especialista em análise de superfícies no Fraunhofer IAP, investigou como o tratamento térmico e a formação híbrida alteravam a química da superfície e das interfaces dos materiais híbridos orgânico-inorgânicos utilizando XPS. Neste processo, a superfície do material é irradiada com raios X e a energia dos fotoelétrons emitidos é medida.
«O XPS é como um scanner de superfície extremamente preciso. Permite-nos ler os primeiros 1 a 10 nanómetros de um material como se fosse um mapa químico. Outra vantagem é que a análise requer apenas uma preparação mínima da amostra e não exige que o material seja dissolvido ou submetido a digestão química», afirma Kim.
Biocarvão: o que torna a sua análise tão desafiante
Os materiais derivados de matérias-primas naturais são quimicamente muito mais complexos do que os produtos químicos convencionais de laboratório. Durante o tratamento térmico de biomassa, como borras de café ou cascas de laranja, por exemplo, ocorrem inúmeras reações simultaneamente. Isto produz materiais de carbono com uma química superficial heterogénea e, por vezes, inesperada, que não pode ser descrita por uma única estrutura química. O XPS consegue diferenciar estas superfícies complexas e tirar conclusões sobre a forma como um material foi formado e quais as propriedades que podem ser relevantes para a sua aplicação subsequente.
No biochar derivado de borras de café, o XPS revelou que o tratamento térmico reorganizou o carbono na superfície. O resultado foi uma estrutura mais rica em carbono, semelhante à grafite, que, no entanto, permaneceu quimicamente heterogénea e rica em sítios de defeitos. Tais propriedades superficiais podem promover interações com compostos farmacêuticos, corantes e outros poluentes orgânicos, tornando-as particularmente relevantes para materiais utilizados na purificação da água.
«Uma compreensão detalhada da química exata de um material ajuda-nos a compreender com grande precisão não só a composição do material, mas também as alterações individuais que ocorrem num material quando este é utilizado numa aplicação como a remediação da água ou num dispositivo eletroquímico. Estas alterações são frequentemente cruciais, mas muito difíceis de detetar utilizando outros métodos», explica Taubert.
O XPS fornece informações sobre a química nas interfaces orgânico-inorgânicas
Nos materiais híbridos de origem biológica, os componentes orgânicos e inorgânicos estão interligados em escalas de comprimento muito pequenas. O que acontece nas suas interfaces pode ter uma grande influência nas propriedades do material que se desenvolvem posteriormente.
«No caso dos materiais híbridos, não basta saber quais os elementos presentes. O que importa é a forma como os componentes orgânicos e inorgânicos interagem e se se formam novos ambientes químicos nas suas interfaces. O XPS permite-nos tornar estas interações visíveis», explica Kim.
Em sistemas híbridos compostos por biocarvão de casca de laranja, argila e dióxido de titânio, as análises revelaram que os componentes orgânicos e inorgânicos formam ligações químicas nas suas interfaces durante o processamento térmico, envolvendo titânio, oxigénio, carbono e alumínio. Nos fotocatalisadores modificados com azoto, o XPS também ajudou a distinguir o azoto incorporado em estruturas inorgânicas contendo titânio das espécies orgânicas residuais que contêm azoto. Tais materiais podem não só ligar poluentes, mas também utilizar as suas propriedades fotocatalíticas para os decompor com a ajuda da luz.
A análise de superfícies apoia o desenvolvimento de materiais de base biológica
Através do XPS, o Fraunhofer IAP apoia empresas e parceiros de investigação na obtenção de uma compreensão específica da complexa química de superfície dos materiais de base biológica e na identificação das causas das diferenças de desempenho. Isto pode incluir a análise de variações entre lotes, processos de envelhecimento, modificações de superfície e interações químicas com poluentes e outras moléculas. Os conhecimentos resultantes podem ajudar a orientar a otimização sistemática das formulações de materiais e dos processos de fabrico e contribuir para o desenvolvimento de materiais robustos e reprodutíveis para aplicações industriais. À medida que o interesse industrial pelas matérias-primas renováveis continua a crescer, estas descobertas também destacam oportunidades para futuras investigações colaborativas sobre materiais de carbono de base biológica, catalisadores, revestimentos, compósitos poliméricos e outros materiais com superfícies e interfaces complexas.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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