Fraunhofer IAP utiliza XPS para estudar a química de superfície de materiais híbridos de base biológica

De acordo com pt.wedoany.com-O Instituto Fraunhofer de Pesquisa de Polímeros Aplicados (Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP) utiliza a espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS) para estudar o estado químico e as interações de superfícies e interfaces de materiais de carbono de base biológica e materiais híbridos orgânico-inorgânicos, e os conhecimentos obtidos podem apoiar o desenvolvimento direcionado de materiais funcionais para aplicações industriais.

Materiais de base biológica e sistemas híbridos podem ser utilizados em tratamento de água, processos catalíticos, componentes eletroquímicos e revestimentos funcionais, combinando características de matérias-primas naturais e materiais inorgânicos. Sua função, reatividade e estabilidade dependem do ambiente químico de superfície e interface; os métodos de análise tradicionais fornecem informações limitadas, e as causas de diferenças de desempenho, efeitos de envelhecimento ou comportamentos inesperados frequentemente são difíceis de esclarecer.

Em uma série de estudos conjuntos liderados pelo grupo de trabalho de química de materiais do Professor Andreas Taubert na Universidade de Potsdam (Universität Potsdam), os pesquisadores desenvolveram materiais de carbono de base biológica e materiais híbridos para tratamento de água; o Fraunhofer IAP forneceu a caracterização por XPS, analisando a composição da superfície, o estado químico e as interações de interface. Borra de café e cascas de laranja foram usadas como matérias-primas renováveis para preparar biochar, que depois foi combinado com minerais argilosos e óxidos metálicos.

O especialista em análise de superfícies do Fraunhofer IAP, Dr. Jiyong Kim, usa XPS para estudar como o tratamento térmico e a formação de híbridos afetam a química de superfície e interface: a superfície do material é irradiada com raios X e a energia dos fotoelétrons emitidos é medida. Kim afirma que o XPS pode ler informações dos 1 a 10 nanômetros mais superficiais do material, exigindo preparação mínima da amostra, sem necessidade de dissolução ou digestão química.

A química de materiais de matérias-primas naturais é complexa. Quando biomassa como borra de café ou cascas de laranja é tratada termicamente, ocorrem simultaneamente inúmeras reações, produzindo materiais de carbono com química de superfície não homogênea, que não podem ser descritos por uma única estrutura. O XPS pode distinguir superfícies complexas e inferir sua formação e aplicações subsequentes. Para o biochar de borra de café, o XPS mostra que o tratamento térmico faz com que o carbono da superfície se reestruture, formando uma estrutura com maior teor de carbono, semelhante ao grafite, mas ainda não homogênea e com muitos sítios defeituosos, que podem promover interações com princípios ativos farmacêuticos, corantes e outros poluentes orgânicos. Taubert afirma que compreender a natureza química exata ajuda a entender a composição e a rastrear mudanças em aplicações de purificação de água ou componentes eletroquímicos, mudanças essas difíceis de detectar por outros métodos.

Em materiais híbridos de base biológica, componentes orgânicos e inorgânicos se conectam em escala muito pequena, e os processos de interface influenciam o desempenho subsequente. Kim afirma que conhecer apenas os elementos não é suficiente; o crucial é como os componentes interagem e se a interface forma um novo ambiente químico, e o XPS pode tornar essas interações visíveis. Em um sistema híbrido composto por biochar de casca de laranja, argila e dióxido de titânio, durante o tratamento térmico formam-se ligações químicas envolvendo titânio, oxigênio, carbono e alumínio na interface; em fotocatalisadores modificados com nitrogênio, o XPS pode distinguir o nitrogênio incorporado em estruturas inorgânicas contendo titânio dos compostos orgânicos nitrogenados residuais. Tais materiais podem tanto ligar-se a poluentes quanto degradá-los sob iluminação, graças às suas propriedades fotocatalíticas.

Com o auxílio do XPS, o Fraunhofer IAP apoia empresas e parceiros de pesquisa na compreensão da complexa química de superfície de materiais de base biológica, identificando as causas de diferenças de desempenho, incluindo flutuações entre lotes de produção, processos de envelhecimento, modificação de superfície e interações com poluentes e outras moléculas, a fim de otimizar formulações de materiais e processos de fabricação e desenvolver materiais robustos e reprodutíveis adequados a aplicações industriais. O interesse da indústria por matérias-primas renováveis está crescendo, e esses resultados também demonstram o potencial de pesquisas conjuntas em materiais de superfície e interface complexos, como materiais de carbono de base biológica, catalisadores, revestimentos e compósitos poliméricos.