Carbono Mesoporoso

Os materiais porosos se classificam em três categorias de acordo com o tamanho de poro que possuem:

• microporosos (poros com diâmetro menor que 2nm)
• mesoporosos (2 – 50nm)
• macroporosos (> 50nm)

Como mencionado neste post aqui, materiais mesoporosos a base de sílica foram os primeiros a serem sintetizados, embora em 1971 já houvesse uma patente a respeito de um material mesoporoso com estrutura de poros ordenados e o pior é que nessa época nem se deram conta das características do material por falta de técnicas analíticas adequadas [1]. A Mobil Oil sintetiza a série MCM (Mobil Composition of Matter) de nano sílica mesoporosa com estruturas cúbicas, hexagonais e lamelares em 1991. Uma característica comum desses materiais é que os nanoporos são desordenados.

Em 1999 surge o primeiro carbono mesoporoso com estrutura de poros ordenado sintetizado por um processo chamado de nanocasting, ilustrado na Figura 1 [2]. Esse método consiste em usar um molde de sílica rígido (template) pré-sintetizado que é infiltrado por um precursor orgânico, que pode ser ou não polimerizável, que em seguida é carbonizado e posteriormente removido o molde de sílica em solução de ácido fluorídrico. Usando o SBA-15, que possuem nanoestrutura de poros hexagonais altamente ordenadas, Ryoo et al sintetiza réplicas de carbono conhecido como CMK (Carbon Mesostructures from Korea).

Figura 1. Processo sintético nanocasting.

Os CMKs se classificam de acordo com o tipo de mesoestrutura de sílica usado. Os que usam SBA-15 são chamados de CMK-3, possuem estrutura hexagonal como mencionado anteriormente. Os que usam MCM-48 são conhecido como MCK-1, possuem estrutura cúbica de poros interconectados, como visualizado na Figura 2 [3].

OMC = Carbono Mesoporosos Ordenado

Figura 2. Mesoestruturas de carbono (A) CMK-3 e (B) CMK-1.

Outro método para obtenção de carbono mesoporosos ordenado é utilizar uma via de síntese polimérica com agentes direcionador de estruturas (surfactantes). Esse método é conhecido como automontagem (self-assembly) e utiliza resinas poliméricas para gerar um gel orgânico. Posteriormente o gel é carbonizado obtendo assim a estrutura de carbono mesoporosa. Na etapa de pirólise o surfactante é removido, o que torna esse método mais simples que a do nanocasting por ter menos etapas.

Características e Propriedades

Esses materiais são condutores, estáveis térmico e quimicamente e se diferenciam dos outros tipos de materiais base de carbono, como grafeno, nanotubo e o negro de fumo, pela possibilidade de obter poros altamente ordenados com uma distribuição de poros mais estreita, permitindo adquirir áreas de superfícies muito elevada. Em algumas aplicações como eletrodo, mesoporos interconectados permitem um melhor transporte de íons do eletrólito. Em comparação com nanotubo de carbono e grafeno, esses materiais apresentam maior estabilidade mecãnica, tornado-o suportes mais robustos.

Referências

[1] V. Chiola et al. USA Patent 3556725 – Process For Producing Low-Bulk Density Silica. 1971

[2] Synthesis of Highly Ordered Carbon Molecular Sieves via Template-Mediated Structural Transformation. Ryong Ryoo,*, Sang Hoon Joo, and, and Shinae Jun. The Journal of Physical Chemistry B 1999103 (37), 7743-7746DOI: 10.1021/jp991673a

[3] Recent Trends on Electrochemical Sensors Based on Ordered Mesoporous Carbon. Alain Walcarius. Sensors. 2017.