5 minute read
Uma nova Rota para a Produção de Filmes de Grafeno
por Mário Garcia
Advertisement
Opesquisador e professor Mário Garcia, especialista em tecnologia de Plasma Térmico está propondo uma nova rota para a produção de filmes de grafeno, onde carbono proveniente de hidrocarbonetos termicamente decompostos são depositados sobre uma superfície que fora modificada por implantação iônica com átomos de cobre.
O objetivo do trabalho é o desenvolvimento do processo de geração de grafeno a partir da decomposição térmica do metano e hidrocarbonetos, utilizando a tecnologia de plasma térmico. Na proposta pretende-se ainda quantificar e avaliar a viabilidade do aproveitamento do hidrogênio liberado no processo. Busca-se um processo limpo, mitigando os impactos ambientais na cadeia de produção do grafeno. Neste desenvolvimento, pretende-se definir as condições de produção em uma unidade piloto para que se crie um modelo que permita escalar o processo para uma planta industrial.
O grafeno consiste em uma folha plana de átomos de carbono em ligação sp2 densamente compactados e com espessura de apenas um átomo, reunidos em uma estrutura cristalina hexagonal (https://periodicos.ufv.br/jcec/article/ view/2437/1742). A rota proposta consiste na injeção de hidrocarboneto em uma tocha de plasma térmico juntamente com um gás de plasma para que, a uma temperatura do plasma entre 5.000 °C e 15.000 °C, a reação de separação dos átomos de carbono e dos átomos de hidrogênio se dê em voo, sem rotas químicas, simplificando o processo e reduzindo significativamente os impactos ambientais. Esta separação promovida pelo jato de plasma, em condições de atmosfera controlada e na presença de uma superfície catalítica, busca-se a formação das lâminas do grafeno. Além disso, ao promover a dissociação dos componentes do hidrocarboneto, ocorre a liberação do hidrogênio, que pode ser recolhido e aproveitado. Do processo ainda será avaliada e quantificada a produção deste hidrogênio e o seu aproveitamento como fonte de energia.
A inovação proposta vem principalmente da fonte de energia utilizada para a decomposição química do hidrocarboneto, o Plasma Térmico, que atinge temperaturas da ordem de 50.000 °C no núcleo de seu jato. Com o Plasma a velocidade de decomposição do hidrocarboneto é maior, acelerando o processo de formação do grafeno. Além disso, serão utilizados gases aditivos ao hidrocarboneto com a função de acelerar o crescimento do grafeno na superfície do cobre, assim como reduzir sua aderência da superfície catalítica. Cabe destacar que a modificação da superfície catalítica também é feita com uso da tecnologia de plasma.
A geração do plasma ocorre em uma tocha de plasma que é colocada em um reator onde recebe o hidrocarboneto que é utilizado juntamente com o gás de plasma. A saída deste gás nas condições de superaquecimento é submetida à uma condição de agitação circular promovida por sistema de vórtex, causando uma maior homogeneidade na reação que ocorre em voo. Na região de saída de gases da tocha de plasma será instalada uma câmara de paredes refrigeradas revestidas de material catalítico, para a formação do grafeno. O grande diferencial deste projeto é justamente a extensão desta câmara, que poderá gerar folhas de grafeno de dimensões muito maiores que nos demais métodos. Os gases produzidos, principalmente
o hidrogênio, serão analisadas e avaliadas as condições de seu aproveitamento energético e comercial.
Confirmada a redução da aderência na superfície catalítica, há a possibilidade de vir a testar a fabricação de placas ou fitas contínuas de grafeno, com a aplicação do plasma como elemento de processamento. Busca-se uma modificação na superfície do cobre (ou outro material catalisador) para reduzir a aderência do grafeno na superfície. Somente essa possibilidade de redução da aderência na superfície catalítica já justifica a aplicação da tecnologia, comparada a outras rotas. Além disso, esse processo não utiliza rotas líquidas e nem substâncias de manuseio controlado, o que facilita o processo, além de ser ambientalmente correto. Mesmo os gases resultantes do processo, pela própria característica do processo a Plasma Térmico, são inertes e poderão ser descartados na atmosfera sem maiores danos. Testes já foram realizados na direção da produção desta superfície modificada utilizando um bloco de zircônia em aglomerados manométricos para a implantação de íons de cobre, formando a superfície catalítica, mostrada na figura 3.
Os impactos esperados com o processo proposto com a aplicação do Plasma Térmico são os seguintes: - Redução da aderência do grafeno na superfície catalítica, sendo o cobre ou outras ligas, pela modificação da superfície catalítica, buscando facilitar a sua remoção. Este resultado pode, inclusive, facilitar a outras rotas de produção de grafeno. Esta característica de redução da aderência deverá ser objeto específico de patente. - Aumento da velocidade de crescimento das placas de grafeno na superfície catalisadora com a aplicação do Plasma Térmico, quando comparado com as tecnologias atuais. Não somente a velocidade de formação, mas também a possibilidade de obter placas ou fitas de dimensões maiores que as obtidas nos processos atuais limitadas pelas dimensões das plaquinhas de cobre. - Com isso, deverá resultar em um processo com menor custo de produção para o grafeno, competindo em qualidade e tecnologia com outros produtores mundiais. - Utilizando gás hidrocarboneto como matéria prima, até mesmo gases alternativos poderão ser testados, como gás natural ou até mesmo biogases de fontes alternativas com a aplicação do Plasma Térmico. - Formação de carbono sólido residual do processo, que pode ser utilizado para aplicações que utilizem negro de fumo ou para produção de carvão ativado. - Apesar de não ser o objeto do projeto, haverá a formação de hidrogênio, que poderá ser utilizado no próprio processo ou exportado para outras utilizações - Formação de expertise nacional sobre a produção do grafeno e mão de obra especializada com a aplicação do Plasma Térmico.
Atualmente, os trabalhos avançam na direção de obter melhores resultados na elaboração da superfície catalítica, o que se mostra em uma fase muito promissora e, com certeza, revolucionará a produção de grafeno no Brasil e no Mundo.
Mário Gonçalves Garcia Jr é Engenheiro Elétrico formado desde 1986, com mestrado em Eletrônica de Potência e doutorando em Engenharia de Energia. Começou a trabalhar com Plasma Térmico em 1996 nos Laboratórios de Plasma do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) com projetos de retificadores e conversores de potência para Tochas de Plasma e automação de processos. Em 2002 fundou a RAE ELECTRIC e desde então tem trabalhado na implantação e projetos com utilização de plasma térmico. É Coordenador e professor dos cursos de Engenharia da Fundação Santo André
