Filmes finos e transparentes de nanocompósitos entre politiofeno, nanopartículas de ouro e nanoestruturas de carbono : preparação, caracterização e aplicação

Orientador: Prof. Dr. Aldo José Gorgatti ZarbinCoorientador: Profª. Drª. Marcela Mohallem OliveiraTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 31/10/2018Inclui referências: p. 113-124Área de concentração: Química Inorgânica.Resumo: Esse trabalho relata a síntese e a caracterização de nanocompositos contendo politiofeno/nanoparticulas de ouro (PT/Au) e politiofeno/nanoparticulas de ouro/nanotubos de carbono (PT/Au/NTC), obtidos na forma de filmes finos por meio da rota de polimerização interfacial liquido-liquido. Na rota sintética aqui proposta, o polímero e as nanoparticulas metálicas são obtidos simultaneamente em uma etapa única, através de uma reação redox entre o tiofeno e o acido tetracloroaurico, formando um filme auto suportado na interface de dois líquidos imiscíveis (n-hexano e agua). Variáveis de síntese como o tempo de reação e as quantidades de monômero e NTCs no sistema foram investigadas. Observou-se que filmes obtidos com menor tempo de reação são mais finos e transparentes, constituídos por um PT de cadeias curtas e defeituosas, e altamente decorados com nanoparticulas de ouro esféricas de tamanho médio menor que 10 nm de diâmetro. A medida que o tempo de reação e a quantidade de monômero aumentam, os filmes apresentam um polímero com cadeias maiores e com a presença de partículas de ouro maiores, decorrentes de um maior grau de polimerização do tiofeno e um crescimento anisotropico das partículas, tornando-se mais espessos, menos transparentes e mais heterogêneos. Nos filmes contendo NTCs, observou-se que ha um rendimento maior de produto comparado aos filmes na ausência destes, indicando que os nanotubos aceleraram a reação de polimerização. Amostras com maiores quantidades de NTC formaram filmes mais heterogêneos, devido a aglomeração de NTCs que induz a densificacao do polímero e a agregação das nanoparticulas de ouro sobre os NTCs. O estudo desses materiais como camada ativa de células solares orgânicas mostrou que os filmes de PT/Au contendo nanoparticulas de ouro menores são os mais promissores para o efeito fotovoltaico, uma vez que as amostras contendo partículas de ouro grandes e/ou NTCs apresentaram comportamento resistivo ou de resistor, devido a alta condutividade. Foram realizados ainda tratamentos térmicos dos filmes de nanocompositos utilizados nos dispositivos, sendo que o tratamento térmico a 200 °C por 30 minutos foi a melhor condição encontrada na otimização dos dispositivos com PT/Au, permitindo um aumento da eficiencia para 0,1%, provavelmente devido a maior interação entre os componentes da camada ativa proporcionada pelo tratamento térmico. Os filmes com NTCs apresentaram maior estabilidade eletroquímica, e sendo assim foi testada sua potencialidade como sensores na detecção de dopamina, resultando em sensores otimizados apresentando um limite de detecção igual a 0,69 ?mol L-1 e um limite de quantificação de 2,30 ?mol L-1. Palavras-chave: Politiofeno. Nanopartícula de ouro. Nanotubo de carbono. Polimerização interfacial. Célula solar orgânica. Sensor eletroquimico.Abstract: This work reports the synthesis and characterization of nanocomposites containing polythiophene/gold nanoparticles (PT/Au) and polythiophene/gold nanoparticles/carbon nanotubes (PT/Au/CNT), obtained as thin films through the liquid-liquid interfacial polymerization route. In the synthetic route proposed here, the polymer and the metallic nanoparticles are obtained simultaneously, in a single step, through a redox reaction between thiophene and tetrachlorouric acid, forming a self-assembled film at the interface of two immiscible liquids (n-hexane and water). Synthesis variables such as reaction time and amounts of monomer and CNTs in the system were investigated. It was observed that films obtained at shorter reaction times are thinner and transparent, constituted by short and defective PT chains, and highly decorated with spherical gold nanoparticles presenting medium size smaller than 10 nm. As the reaction time and the amount of monomer increase, the films present a polymer with larger chains and with the presence of large gold particles due to a higher degree of polymerization and anisotropic growth of the particles, turning them thicker, less transparent and more heterogeneous. In the films containing CNTs, it was observed a higher yield of product compared to the films containing no nanotubes, indicating that they accelerated the polymerization reaction. The samples with higher amount of nanotube formed a more heterogeneous film, due to the agglomeration of NTCs, which induce polymer densification and the aggregation of the gold nanoparticles on the NTCs. The study of these materials as active layer of organic solar cells showed that the PT/Au films containing smaller gold nanoparticles are the most promising for the photovoltaic effect, since samples containing large gold particles and/or CNTs presented resistor or resistive behavior, due to the high conductivity. Moreover, thermal treatment of the nanocomposite films used in the devices were performed, in which the annealing of 200 °C for 30 minutes was the better condition found in the optimization of the PT/Au devices, allowing an increase in efficiency to 0.1%, probably due to the greater interaction between the active layer components provided by the thermal treatment. The films with CNTs showed higher electrochemical stability, and therefore, the potential of these films as sensors were investigated in detecting dopamine, resulting in optimized sensors showing a limit of detection of 0.69 ?mol L-1 and a limit of quantification of 2.30 ?mol L-1. Keywords: Polythiophene. Gold nanoparticles. Carbon nanotube. Interfacial polymerization. Organic solar cell. Electrochemical senso