Renewable Energy via Photocatalysis

The generation of renewable energy through photocatalysis is an attractive option to utilize the abundantly available solar radiation for a sustainable future. Photocatalysis refers to charge-carrier, i.e. electron and hole, mediated reactions occurring on a semiconductor surface in presence of ultraviolet or visible light radiation. Photocatalysis is a well established advanced oxidation technique for the decontamination of toxic organic pollutants to CO2 and H2O. However, the generation of energy in the form of hydrogen, hydrocarbon fuels and electricity via photocatalysis is an upcoming field with great many technical challenges towards practical implementation. This review will describe the fundamental reaction mechanism of (i) photocatalytic water splitting, (ii) photocatalytic H-2 generation in presence of different sacrificial agents, (iii) H-2 and electricity generation in a photofuel cell, (iv) photocatalytic reduction of CO2 to hydrocarbons and useful chemicals, and (v) photocatalytic water-gas shift reaction. A historic and recent perspective of the above conversion techniques, especially with regard to the development of TiO2-based and non-TiO2 materials is provided. The activity of different materials for the above reactions based on quantifiers like reaction rate, quantum yield and incident-photon-to-current efficiency is compared, and key design considerations of the ``best'' photocatalyst or photoelectrode is outlined. An overall assessment of the research area indicates that the presently achieved quantum efficiencies for the above reactions are rather moderate in the visible region, and the goal is to develop a catalyst that absorbs visible radiation, provides good charge-carrier separation, and exhibits high stability for long periods of usage.

Earth-abundant materials for solar hydrogen generation

A critical challenge for the 21st century is shifting from the predominant use of fossil fuels to renewables for energy. Among many options, sunlight is the only single renewable resource with sufficient abundance to replace most or all of our current fossil energy use. However, existing photovoltaic and solar thermal technologies cannot be scaled infinitely due to the temporal and geographic intermittency of sunlight. Therefore efficient and inexpensive methods for storage of solar energy in a dense medium are needed in order to greatly increase utilization of the sun as a primary resource. For this purpose we have proposed an artificial photosynthetic system consisting of semiconductors, electrocatalysts, and polymer membranes to carry out photoelectrochemical water splitting as a method for solar fuel generation.

This dissertation describes efforts over the last five years to develop critical semiconductor and catalyst components for efficient and scalable photoelectrochemical hydrogen evolution, one of the half reactions for water splitting. We identified and developed Ni–Mo alloy and Ni₂P nanoparticles as promising earth-abundant electrocatalysts for hydrogen evolution. We thoroughly characterized Ni–Mo alloys alongside Ni and Pt catalysts deposited onto planar and structured Si light absorbers for solar hydrogen generation. We sought to address several key challenges that emerged in the use of non-noble catalysts for solar fuels generation, resulting in the synthesis and characterization of Ni–Mo nanopowder for use in a new photocathode device architecture. To address the mismatch in stability between non-noble metal alloys and Si absorbers, we also synthesized and characterized p-type WSe₂ as a candidate light absorber alternative to Si that is stable under acidic and alkaline conditions.

Renewable three-dimensional Prussian blue modified carbon ceramic electrode

Prussian blue (PB) supported on graphite powder was prepared by the chemical deposition technique and subsequently dispersed into methyltrimethoxysilane-derived gels to yield a conductive graphite organosilicate composite. The composite was used as the electrode material to fabricate a three-dimensional PB-modified electrode. PB acts as a catalyst, graphite powder ensures conductivity by percolation, the silicate provides a rigid porous backbone, and the methyl groups endow hydrophobicity and thus limit the wetting section of the modified electrode. The chemically modified electrode can electrocatalyze the oxidation of hydrazine, and exhibits a distinct advantage of polishing in the event of surface fouling, as well as simple preparation, good chemical and mechanical stability and good repeatability of surface-renewal. Hydrodynamic voltammetric experiments were performed to characterize the electrode as an amperometric sensor for the determination of hydrazine. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Surface renewable graphite organosilicate composite electrode containing indium(III) hexacyanoferrate(II/III)

Indium(III) hexacyanoferrate(II/III) (InHCF) supported on graphite powder was prepared using the in situ chemical deposition procedure and subsequently dispersed into methyltrimethoxysilane-derived gels to yield a conductive graphite organosilicate composite. The composite was used as the electrode material to fabricate a three-dimensional InHCF-modified electrode. InHCF acts as a catalyst, graphite powder ensures conductivity by percolation, the silicate provides a rigid porous backbone and the methyl groups endow hydrophobicity and thus limit the wetting section of the modified electrode. The chemically modified electrode can electrocatalyze the oxidation of thiosulfate, and exhibits a good repeatability of surface-renewal by simple mechanical polishing, as well as simple preparation, good chemical and mechanical stability.

Renewable manganous hexacyanoferrate-modified graphite organosilicate composite electrode and its electrocatalytic oxidation of L-cysteine

Manganous hexacyanoferrate (MnHCF) supported on graphite powder was dispersed into methyltrimethoxysilane-derived gels to yield a conductive composite, which was used as electrode material to construct a renewable three-dimensional MnHCF-modifed electrode. MnHCF acts as a catalyst, graphite powder ensures conductivity by percolation, the silicate provides a rigid porous backbone, and the methyl groups endow hydrophobicity and thus limit the wetting section of the modified electrode. Cyclic voltammetry was exploited to investigate the dependence of electrochemical behavior on supporting electrolytes containing various cations. The chemically modified electrode can electrocatalytically oxidize L-cysteine, and exhibits a distinct advantage of polishing in the event of surface fouling, as well as simple preparation, good chemical and mechanical stability, and good repeatability of surface renewal.

Surface-renewable cobalt(II) hexacyanoferrate-modified graphite organosilicate electrode and its electrocatalytic oxidation of thiosulfate

Cobalt(II) hexacyanoferrate (CoHCF) was deposited on graphite powder by an in situ chemical deposition procedure and then dispersed into methyltrimethoxysilane-derived gels to prepare a surface-renewable CoHCF-modified electrode. The electrochemical behavior of the modified electrode in different supporting electrolyte solutions was characterized by cyclic voltammetry. In addition, square-wave voltammetry was employed to investigate the pNa-dependent electrochemical behavior of the electrode. The CoHCF-modified electrode showed a high electrocatalytic activity toward thiosulfate oxidation and could thus be used as an amperometric thiosulfate sensor.

Amperometric determination of thiosulfate at a surface-renewable nickel(II) hexacyanoferrate-modified carbon ceramic electrode

Graphite powder-supported nickel(II) hexacyanoferrate (NiHCF) was prepared by the in situ chemical deposition method and then dispersed into methyltrimethoxysilane-derived gels to form a conductive composite. The composite was used as electrode material to construct a surface-renewable three-dimensional NiHCF-modified carbon ceramic electrode. Electrochemical behavior of the chemically modified electrode was well characterized using cyclic and square-wave voltammetry. The electrode presented a good electrocatalytic activity toward the oxidization of thiosulfate and thus was used as an amperometric sensor for thiosulfate in the photographic waste effluent. In addition, the electrode exhibited a distinct advantage of surface-renewal by simple mechanical polishing, as well as simple preparation, good chemical and mechanical stability. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Engineering of metal oxide interfaces for renewable energy applications

Diminishing non-renewable energy resources and planet-wide de-pollution on our planet are among the major problems which mankind faces into the future. To solve these problems, renewable energy sources such as readily available and inexhaustible sunlight will have to be used. There are however no readily available photocatalysts that are photocatalytically active under visible light; it is well established that the band gap of the prototypical photocatalyst, titanium dioxide, is the UV region with the consequence that only 4% of sun light is utilized. For this reason, this PhD project focused on developing new materials, based on titanium dioxide, which can be used in visible light activated photocatalytic hydrogen production and destruction of pollutant molecules. The main goal of this project is to use simulations based on first principles to engineer and understand rationally, materials based on modifying TiO2 that will have the following properties: (1) a suitable band gap in order to increase the efficiency of visible light absorption, with a gap around 2 – 2.5 eV considered optimum. (2). The second key aspect in the photocatalytic process is electron and hole separation after photoexcitation, which enable oxidation/reduction reactions necessary to i.e. decompose pollutants. (3) Enhanced activity over unmodified TiO2. In this thesis I present results on new materials based on modifying TiO2 with supported metal oxide nanoclusters, from two classes, namely: transition metal oxides (Ti, Ni, Cu) and p-block metal oxides (Sn, Pb, Bi). We find that the deposited metal oxide nanoclusters are stable at rutile and anatase TiO2 surfaces and present an analysis of changes to the band gap of TiO2, identifying those modifiers that can change the band gap to the desirable range and the origin of this. A successful collaboration with experimental researchers in Japan confirms many of the simulation results where the origin of improved visible light photocatalytic activity of oxide nanocluster-modified TiO2 is now well understood. The work presented in this thesis, creates a road map for the design of materials with desired photocatalytic properties and contributes to better understanding these properties which are of great application in renewable energy utilization.

Energy storage in electrochemical capacitors: designing functional materials to improve device performance

Electrochemical capacitors, also known as supercapacitors, are becoming increasingly important components in energy storage, although their widespread use has not been attained due to a high cost/ performance ratio. Fundamental research is contributing to lowered costs through the engineering of new materials. Currently the most viable materials used in electrochemical capacitors are biomassderived and polymer-derived activated carbons, although other carbon materials are useful research tools. Metal oxides could result in a step change for electrochemical capacitor technology and is an exciting area of research. The selection of an appropriate electrolyte and electrode structure is fundamental in determining device performance. Although there are still many uncertainties in understanding the underlying mechanisms involved in electrochemical capacitors, genuine progress continues to be made. It is argued that a large, collaborative international research programme is necessary to fully develop the potential of electrochemical capacitors.

Can we meet targets for biofuels and renewable energy in transport given the constraints imposed by policy in agriculture and energy?

The deployment of biofuels is significantly affected by policy in energy and agriculture. In the energy arena, concerns regarding the sustainability of biofuel systems and their impact on food prices led to a set of sustainability criteria in EU Directive 2009/28/EC on Renewable Energy. In addition, the 10% biofuels target by 2020 was replaced with a 10% renewable energy in transport target. This allows the share of renewable electricity used by electric vehicles to contribute to the mix in achieving the 2020 target. Furthermore, only biofuel systems that effect a 60% reduction in greenhouse gas emissions by 2020 compared with the fuel they replace are allowed to contribute to meeting the target. In the agricultural arena, cross-compliance (which is part of EU Common Agricultural Policy) dictates the allowable ratio of grassland to total agricultural land, and has a significant impact on which biofuels may be supported. This paper outlines the impact of these policy areas and their implications for the production and use of biofuels in terms of the 2020 target for 10% renewable transport energy, focusing on Ireland. The policies effectively impose constraints on many conventional energy crop biofuels and reinforce the merits of using biomethane, a gaseous biofuel. The analysis shows that Ireland can potentially satisfy 15% of renewable energy in transport by 2020 (allowing for double credit for biofuels from residues and ligno-cellulosic materials, as per Directive 2009/28/EC) through the use of indigenous biofuels: grass biomethane, waste and residue derived biofuels, electric vehicles and rapeseed biodiesel. © 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Economical and coordinated dispatch of CHP based microgrid with renewable energy resources

The advantages of high energy efficiency and economic benefit promote the wide application of combined heat and power system (CHP) based microgrid. Firstly, a mathematical model of the CHP based microgrid is developed. Then, a cost function for the coordination of heat and electric load is proposed. Finally, an optimal dispatch model is developed to achieve the economical and coordinated operation of the CHP based microgrid system. Simulation results verify effectiveness of the proposed dispatch model, which is a powerful tool for the energy management of CHP based microgrid with renewable energy resources.

Novel materials based on chitosan, its derivatives and cellulose fibres

O presente trabalho tem como principal objectivo o desenvolvimento de novos materiais baseados em quitosano, seus derivados e celulose, na forma de nanofibras ou de papel. Em primeiro lugar procedeu-se à purificação das amostras comerciais de quitosano e à sua caracterização exaustiva em termos morfológicos e físicoquímicos. Devido a valores contraditórios encontrados na literatura relativamente à energia de superfície do quitosano, e tendo em conta a sua utilização como precursor de modificações químicas e a sua aplicação em misturas com outros materiais, realizou-se também um estudo sistemático da determinação da energia de superfície do quitosano, da quitina e seus respectivos homólogos monoméricos, por medição de ângulos de contacto Em todas as amostras comerciais destes polímeros identificaram-se impurezas não polares que estão associadas a erros na determinação da componente polar da energia de superfície. Após a remoção destas impurezas, o valor da energia total de superfície (gs), e em particular da sua componente polar, aumentou consideravelmente. Depois de purificadas e caracterizadas, algumas das amostras de quitosano foram então usadas na preparação de filmes nanocompósitos, nomeadamente dois quitosanos com diferentes graus de polimerização, correspondentes derivados solúveis em água (cloreto de N-(3-(N,N,N-trimetilamónio)-2- hidroxipropilo) de quitosano) e nanofibras de celulose como reforço (celulose nanofibrilada (NFC) e celulose bacteriana (BC). Estes filmes transparentes foram preparados através de um processo simples e com conotação ‘verde’ pela dispersão homogénea de diferentes teores de NFC (até 60%) e BC (até 40%) nas soluções de quitosano (1.5% w/v) seguida da evaporação do solvente. Os filmes obtidos foram depois caracterizados por diversas técnicas, tais como SEM, AFM, difracção de raio-X, TGA, DMA, ensaios de tracção e espectroscopia no visível. Estes filmes são altamente transparentes e apresentam melhores propriedades mecânicas e maior estabilidade térmica do que os correspondentes filmes sem reforço. Outra abordagem deste trabalho envolveu o revestimento de folhas de papel de E. globulus com quitosano e dois derivados, um derivado fluorescente e um derivado solúvel em água, numa máquina de revestimentos (‘máquina de colagem’) à escala piloto. Este estudo envolveu inicialmente a deposição de 1 a 5 camadas do derivado de quitosano fluorescente sobre as folhas de papel de forma a estudar a sua distribuição nas folhas em termos de espalhamento e penetração, através de medições de reflectância e luminescência. Os resultados mostraram que, por um lado, a distribuição do quitosano na superfície era homogénea e que, por outro lado, a sua penetração através dos poros do papel cessou após três deposições. Depois da terceira camada verificou-se a formação de um filme contínuo de quitosano sobre a superfície do papel. Estes resultados mostram que este derivado de quitosano fluorescente pode ser utilizado como marcador na optimização e compreensão de mecanismos de deposição de quitosano em papel e outros substratos. Depois de conhecida a distribuição do quitosano nas folhas de papel, estudou-se o efeito do revestimento de quitosano e do seu derivado solúvel em água nas propriedades finais do papel. As propriedades morfológicas, mecânicas, superficiais, ópticas, assim como a permeabilidade ao ar e ao vapor de água, a aptidão à impressão e o envelhecimento do papel, foram exaustivamente avaliadas. De uma forma geral, os revestimentos com quitosano e com o seu derivado solúvel em água tiveram um impacto positivo nas propriedades finais do papel, que se mostrou ser dependente do número de camadas depositadas. Os resultados também mostraram que os papéis revestidos com o derivado solúvel em água apresentaram melhores propriedades ópticas, aptidão à impressão e melhores resultados em relação ao envelhecimento do que os papéis revestidos com quitosano. Assim, o uso de derivados de quitosano solúveis em água em processos de revestimento de papel representa uma estratégia bastante interessante e sustentável para o desenvolvimento de novos materiais funcionais ou na melhoria das propriedades finais dos papéis. Por fim, tendo como objectivo valorizar os resíduos e fracções menos nobres da quitina e do quitosano provenientes da indústria transformadora, estes polímeros foram convertidos em polióis viscosos através de uma reacção simples de oxipropilação. Este processo tem também conotação "verde" uma vez que não requer solvente, não origina subprodutos e não exige nenhuma operação específica (separação, purificação, etc) para isolar o produto da reacção. As amostras de quitina e quitosano foram pré-activadas com KOH e depois modificadas com um excesso de óxido de propileno (PO) num reactor apropriado. Em todos os casos, o produto da reacção foi um líquido viscoso composto por quitina ou quitosano oxipropilados e homopolímero de PO. Estas duas fracções foram separadas e caracterizadas.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

Preparation of new materials by heterogeneous modification of cellulose

O presente trabalho teve como principal objectivo estudar a modificação química heterogénea controlada de fibras de celulose com diferentes reagentes de modo a alterar as suas propriedades de superfície, em especial em termos da criação de um carácter hidrofóbico e lipofóbico, preservando, sempre que possível, as suas propriedades mecânicas e, consequentemente, abrindo novas perspectivas de aplicação. O desenvolvimento do trabalho envolveu três abordagens principais, envolvendo, em cada caso, o estudo de diferentes condições reaccionais. Na primeira abordagem foram utilizados como reagentes de modificação compostos perfluorados, nomeadamente o anidrido trifluoroacético (TFAA), o cloreto de 2,3,4,5,6-pentafluorobenzoílo (PFBz) e o cloreto de 3,3,3- trifluoropropanoílo (TFP), para promover a acilação heterogénea da superfície das fibras. A segunda estratégia usada consistiu na preparação de híbridos de celulose do tipo orgânico-inorgânico classe-II, através da modificação das fibras de celulose com o (3-isocianatopropil)trietoxissilano (ICPTEOS), um reagente organossilano bifuncional. A ligação às fibras de celulose foi efectuada através das funções isocianato e, posteriormente, os grupos etoxissilano foram sujeitos a tratamentos de hidrólise ácida, como tal ou na presença de outros siloxanos, nomeadamente o tetraetoxissilano (TEOS) e o 1H,1H,2H,2Hperfluorodeciltrietoxissilano (PFDTEOS). Finalmente, a última abordagem foi baseada na modificação das fibras com triclorometilssilano (TCMS), através de uma reacção gás-sólido, que dispensou assim o uso de solventes orgânicos. A ocorrência de modificação química foi em cada caso confirmada por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Reflectância Total Atenuada (FTIR-ATR), Análise Elementar (EA) e determinação de ângulos de contacto. Adicionalmente, e dependendo de cada caso específico, diversas outras técnicas foram empregues na caracterização aprofundada dos materiais preparados, nomeadamente Ressonância Magnética Nuclear CPMAS no Estado Sólido (RMN), Espectroscopia de Difracção de Raios-X (XRD), Análise Termogravimétrica (TGA), Espectrometria de Massa de Iões Secundários com Análise de Tempo de Vôo (ToF-SIMS), Espectroscopia Fotoelectrónica de Raios-X (XPS) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). Relativamente à acilação das fibras de celulose com reagentes perfluorados, o sucesso da reacção foi comprovado por FTIR-ATR, EA, XPS e ToF-SIMS. Neste contexto, obtiveram-se fibras modificadas possuindo graus de substituição (DS) compreendidos entre 0.006 e 0.39. Verificou-se por XRD que, em geral, mesmo para os valores de DS mais elevados, a cristalinidade das fibras não foi afectada, indicando que a modificação foi limitada às camadas mais superficiais das mesmas ou a regiões amorfas das suas camadas mais internas. Adicionalmente, observou-se por ToF-SIMS que a distribuição dos grupos perfluorados à superfície das fibras foi, de facto, bastante heterogénea. Todos os derivados de celulose perfluorados apresentaram elevada hidrofobicidade e lipofobicidade, tendo-se atingido ângulos de contacto com água e diiodometano de 126º e 104º, respectivamente. Um aspecto interessante relativo a estes materiais é que a elevada omnifobicidade foi observada mesmo para valores de DS muito reduzidos, não se mostrando significativamente afectada pelo aumento dos mesmos. Em consonância, verificou-se por XPS que a cobertura da superfície das fibras de celulose com grupos perfluorados aumentou apenas ligeiramente com o aumento do DS, apontando para a esterificação de camadas mais internas das fibras, associada, neste caso, predominantemente aos seus domínios amorfos. No que diz respeito à estabilidade hidrolítica destes derivados, obtiveram-se dois tipos distintos de comportamento. Por um lado, as fibras de celulose trifluoroacetiladas são facilmente hidrolisáveis em meio neutro, e, por outro, as fibras pentafluorobenzoiladas e trifluoropropanoiladas mostram-se bastante resistentes face a condições de hidrólise em meio neutro e ácido (pH 4), podendo, contudo, ser facilmente hidrolisadas em meio alcalino (pH 9 e 12, para derivados do PFBz e do TFP, respectivamente). Na segunda abordagem verificou-se a ocorrência de reacção por FTIR-ATR e EA. Em geral, a modificação química com ICPTEOS ocorre predominantemente nas zonas mais superficiais das fibras de celulose ou em regiões amorfas. Contudo, em condições reaccionais mais severas (maior quantidade de reagente e tempo de reacção), esta atingiu também regiões cristalinas, afectando, consequentemente, a estrutura cristalina das fibras, como verificado por XRD. Por RMN de 29Si observou-se que após reacção com o ICPTEOS já existiam indícios de alguma hidrólise dos grupos etoxissilano, e que a sua subsequente condensação parcial tinha levado à formação de uma película inorgânica em redor das fibras (verificado por SEM), constituída maioritariamente por estruturas lineares, com uma contribuição mais modesta de estruturas “diméricas” e outras mais ramificadas. Consequentemente, este revestimento inorgânico transformou as fibras de celulose em materiais híbridos com elevada hidrofobicidade (ângulos de contacto com água entre 103-129º). A hidrólise ácida dos restantes grupos etoxissilano, como tal ou na presença de TEOS, originou híbridos de celulose com elevada hidrofilicidade, sendo impossível medirem-se os ângulos de contacto com água dos produtos finais, devido à presença maioritária de grupos silanol (Si-OH) e ligações Si-O-Si à superfície, os quais contribuíram para o consequente aumento de energia de superfície. No entanto, quando a hidrólise foi realizada na presença de PFDTEOS, obtiveram-se materiais híbridos com elevada hidrofobicidade e lipofobicidade (ângulos de contacto com água e diiodometano de 140º e 134º, respectivamente), devido à combinação da presença de grupos perfluorados e micro- e nano-rugosidades na superfície das fibras de celulose, conforme confirmado por SEM. Finalmente, a última abordagem permitiu preparar materiais derivados de celulose altamente hidrofóbicos e lipofóbicos (ângulos de contacto com água e diiodometano de 136º e 109º, respectivamente) por um processo simples, envolvendo tempos de tratamento tão curtos como 0.5 min. Este comportamento omnifóbico foi gerado pelo efeito sinergético entre a diminuição de energia de superfície das fibras, devido à presença de grupos metilo dos resíduos de TCMS ligados a estas, e a condensação dos resíduos de TCMS na forma de micro- e nano-partículas inorgânicas, que levou à criação de um revestimento rugoso à superfície das fibras, conforme observado por RMN de 29Si e SEM, respectivamente. A pré-humidificação das fibras de celulose demonstrou desempenhar um importante papel de “acelerador” dos processos de hidrólise e condensação das moléculas de TCMS. Nestas condições, o tempo de tratamento foi um dos parâmetros mais relevantes, pois para tempos de tratamento muito curtos (0.5 min) os materiais resultantes não apresentaram quaisquer diferenças a nível de propriedades físico-químicas em relação ao substrato de partida (a humidade em excesso consumiu todo o TCMS antes que este conseguisse reagir com os grupos hidroxilo das fibras de celulose), possuindo, por exemplo, valores de ângulos de contacto com água idênticos. Para tempos de tratamento mais longos, como 30 min, os materiais finais apresentaram a maior quantidade de componentes inorgânicos, tal como verificado por EA e TGA. Assim, o controlo da humidade das fibras é imperativo para se poder moldar as propriedades finais dos produtos. Esta última abordagem é particularmente promissora uma vez que tem como base um sistema simples e “verde” que pode ser facilmente implementado. Em conclusão, este trabalho permitiu demonstrar que a modificação química heterogénea controlada das fibras de celulose representa uma iniciativa promissora para a preparação de novos materiais obtidos a partir de recursos renováveis, com propriedades interessantes e passíveis de ser potencialmente aplicados em diferentes áreas. Para além do mais, as estratégias de modificação estudadas podem também ser precursoras de novos estudos que possam vir a ser desenvolvidos dentro do mesmo âmbito.