Exploring transition metal dichalcogenides: synthesis, characterization, and prospective applications in catalysis

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Nagaoka, Danilo Argentoni
• Orientador(a): Matos, Christiano José Santiago de
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng; por
• Instituição de defesa: Universidade Presbiteriana Mackenzie
• Palavras-chave em Português: TMDs; NbS2; NbSe2; MoS2 síntese e caracterização de nanomateriais 2D; eletrocatálise; fotocatálise
• Link de acesso: https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/38154

O foco dessa tese é o estudo da síntese e caracterização de materiais bidimensionais com potencial para aplicações catalíticas. Inicialmente, foram investigados dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) de nióbio (Nb-TMDs). O nióbio é um elemento do Grupo-V que pode formar TMDs lamelares com características metálicas, como NbS2 e o NbSe2. Recentemente seu potencial para ser aplicado como catalisador para reações de evolução de hidrogênio (HER) vem sendo demonstrado. Devido à sua relativa abundância, o desenvolvimento de novos métodos de síntese e aplicações tornou-se uma opção para substituir catalisadores de alto custo como a platina (Pt). Porém, um dos gargalos é sua estabilidade quando exposto ao ambiente. Nesse contexto, o trabalho propõe estudos de novos métodos de síntese e caracterização de Nb TMDs, verificando a estabilidade do material obtido. Primeiro, nós verificamos a estabilidade do NbS2 obtido por exfoliação redox. Através da combinação de métodos experimentais e teóricos pudemos mostrar as diferenças estruturais que ocorrem no NbS2 de poucas camadas exposto. Dessa forma, pudemos propor um caminho reacional para oxidação no NbS2. Ademais, desenvolvemos um método para converter óxido de nióbio amorfo (NbxOy) em NbS2 em filmes finos de escala centimétrica (~7,5 cm2 ), e analisamos a dependência do NbS2 final obtido com espessura dos filmes iniciais de óxido. Originalmente, os filmes de NbxOy apresentavam uma resistividade de kΩ/□, e após a conversão, o NbS2 apresentou valores variando de 80 a 190 Ω/□. Monitoramos a resistividade após a exposição do filme, mostrando uma tendência de oxidação autolimitante. Desenvolvemos, ainda, um método de síntese utilizando deposição química de vapor (CVD) para obter diseleneto de nióbio (NbSe2). As caracterizações, em especial a microscopia eletrônica de transmissão (TEM), demonstraram a obtenção de um nanomaterial monocristalino. Utilizando a ideia de sulfurização pós-oxidação, avaliamos a possibilidade de converter o NbSe2 parcialmente oxidado em uma estrutura híbrida de NbSeS. O nanomaterial foi avaliado como eletrocatalisador com flakes isolados e filmes transferidos, onde apresentou valores 135 mV/dec. Por fim, adaptamos um método para sintetizar dissulfeto de molibdênio (MoS2) diretamente em microcapilares usando deposição química de vapor em baixa pressão (LPCVD), o que permite o crescimento de TMDs em diretamente em substratos não planares, eliminando a necessidade de transferência para aplicação. Usamos o MoS2 para avaliar um sistema de fotocatálise microfluídica. Essa tese estuda a síntese e caracterização de TMDs pouco explorados, demonstrando novas rotas de obtenção, estabilidade e possíveis aplicações.