Conversão de sal fundido de resíduos de tereftalato de polietileno em grafeno

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Conversão de sal fundido de resíduos de tereftalato de polietileno em grafeno 
nanoestruturas com alta área de superfície e condutividade elétrica ultra alta 
 
A poluição causada pelo acúmulo de produtos plásticos é uma séria ameaça emergente para a 
natureza e para nós. Aqui, relatamos primeiro a caracterização estrutural e termocinética do 
material da garrafa de plástico. isso foi descobriram que a pirólise do tereftalato de polietileno 
no ar leva à formação de um carbono amourfose com uma excepcional resistência à oxidação 
térmica, com base na qual uma estratégia eficaz e escalável de sal fundido é proposta a 
conversão verde de garrafas plásticas em carbono nanoestruturado altamente condutor. Nisso 
processo, nenhum equipamento complicado ou gás de proteção é necessário. O carbono 
nanoestruturado consistia em nanopartículas cristalíticas cristalinas com espessura inferior a 
10 nm; e uma condutividade elétrica ultra alta de 1150 S m − 1 a uma baixa densidade 
aparente de 1 g cm − 3 , com um custo estimado de produção em torno de US $ 6 kg − 1 . Essas 
características são atraentes para várias aplicações, incluindo aditivos condutores para 
dispositivos eletrônicos. Na Luz do fato de que a crise da poluição por plásticos não pode ser 
adequadamente resolvida sem o envolvimento de motivações econômicas de longo prazo, o 
método de sal fundido proposto pode fornecer uma força motriz econômica suficiente para o 
uso de resíduos de PET como matérias-primas valiosas, protegendo o meio ambiente. 
 
1. Introdução Os plásticos, com uma produção anual de mais de 300 milhões de toneladas, 
cada vez mais empregado para uma grande variedade de aplicações estruturais na vida 
moderna, devido ao baixo custo de produção, durabilidade, baixo densidade, alta resistência 
química e estabilidade dimensional [1]. O tereftalato de polietileno ((C10H8O4) n, PET) é o 
mais utilizado plástico, frequentemente empregado como recipientes para líquidos 
engarrafados e outros alimentos produtos devido ao seu custo acessível, excelentes 
propriedades mecânicas, propriedades de barreira e clareza. Suas propriedades resistentes à 
radiação também são responsável por aplicações como isolador e detector de trilhos nucleares 
usinas e dispositivos nucleares [2]. De fato, a constante crescente demanda por água 
engarrafada tem impulsionou o consumo anual de garrafas de plástico para algo em torno de 
500 bilhões em todo o mundo. Embora apenas cerca de 9% dos plásticos virgens reciclados em 
novas garrafas de água, cerca de 80% das garrafas usadas em aterros sanitários ou nos 
oceanos. Estima-se que este último seja centenas de milhões de tons, somando seu plástico 
microscópico conteúdo a ser ingerido por pássaros, peixes e outros organismos e, 
eventualmente, pela humanidade que comer essas criaturas, criando um sério gestão de 
resíduos e crise ambiental, talvez com a mesma nível de conseqüências atualmente 
experimentado pelo clima mudança. 
A tendência atual resultará em um acúmulo global de plástico usado de cerca de 12.000 
milhões de toneladas em 20 anos [3-8]. Considerando o fato de a degradação natural do PET 
demorar muito tempo, provavelmente ao longo de várias centenas de anos [9], sua reciclagem 
ou conversão recebeu uma crescente atenção mundial. Por exemplo, conversão de resíduos de 
PET em fibras curtas utilizadas para o endurecimento materiais cimentícios [10], materiais para 
pavimentos de estradas [11] e agentes sorventes de óleo [12] mostraram resultados 
promissores. Além disso, sendo hidrocarbonetos, os plásticos têm altos valores calóricos [13] 
e, portanto, têm amplamente considerado como uma potencial matéria-prima para a 
produção de H2 e syngas [14-16]. Por outro lado, devido ao seu alto teor de carbono de cerca 
de 45 a% e também a falta de componentes inorgânicos, o PET pode ser considerado um fonte 
viável de materiais de carbono sólido de alta pureza [17]. Vale a pena mencionando que, 
particularmente, materiais de carbono com alta área superficial e condutividade são de grande 
importância devido às suas crescentes aplicações em vários campos exigentes, como sistemas 
de armazenamento de energia [18–20], compósitos condutores [21], captação de energia solar 
[22], tintas condutoras [23] e aplicações ambientais [24]. 
Para o avaliação qualitativa e quantitativa desses materiais de carbono, uma combinação de 
técnicas, incluindo microscopia eletrônica, condutividade medidas, bem como difração de 
raios X e espectroscopia Raman são frequentemente utilizado, no qual este último tem sido 
amplamente empregado como método poderoso, pois fornece informações explícitas sobre a 
camada estrutura, cristalinidade e defeitos. Particularmente, a razão da intensidade das 
bandas Raman ID / IG e I2D / IG em materiais à base de grafite correspondem à densidade dos 
defeitos e à qualidade dos flocos de grafeno, respectivamente [25,26] e, portanto, à 
condutividade do material [27,28]. De um modo geral, um valor mais baixo de ID / IG pode ser 
medido em materiais à base de grafeno com valores mais altos de I2D / IG e eletricidade 
condutividade. Por exemplo, materiais com óxido de grafeno reduzido (RGO) com um valor de 
ID / IG de 1,55, 1,19 e 1,02 exibiram um valor de I2D / IG de 0,01, 0,07 e 0,14 e uma 
condutividade elétrica de 69, 133 e 166 S m-1 , respectivamente [29]. 
O PET tem sido usado como fonte de carbono para preparar uma variedade de materiais 
carbonáceos [30–39]. Sabe-se que a alta temperatura pirólise do PET sob N2 e subsequente 
ativação sob vapor, CO2, e / ou KOH [30–34], e também tratamento de PET sob proteção 
atmosfera em vários equipamentos, como descarga de arco [35], produtos químicos deposição 
de vapor [36,37] e reator de autoclave [38,39] leva à formação de materiais de carbono 
amorfo com um valor de ID / IG maior do que a unidade, e uma banda 2D Raman muito fraca. 
Tais materiais de carbono inevitavelmente sofrem com baixa condutividade elétrica, limitando 
possíveis aplicações e, portanto, a viabilidade do PET como o carbono fonte. É uma pena, pois 
há uma quantidade crescente de resíduos de garrafas plásticas que podem ser consideradas 
carbono de baixo custo fontes. Sem mencionar que a transformação de plástico perigoso 
resíduos de valiosos materiais úteis podem ser acompanhados de impacto ambiental positivo. 
 
Os chamados sais fundidos, que são líquidos iônicos com um ponto de fusão ponto 
tipicamente acima de 200 ° C, historicamente têm sido utilizados como eletrólito na produção 
eletrolítica em escala industrial de alumínio com uma produção anual de mais de 50 Mt [40] e 
outros metais, incluindo lítio [41] e magnésio [42]. O sal fundido eletrolítico preparação de 
outros metais / intermetálicos como Ti [43], W [44], U [45], Ni [46] e TiAl3 [47], bem como 
nanodiamantes [48,49] e nanoestruturas de carbono grafítico [50–54] foram desenvolvidas no 
últimos 20 anos. Este último foi revisado recentemente [55]. Além das aplicações eletrolíticas, 
os sais fundidos têm a perspectiva de ser comercialmente viável como fluido de transferência 
de calor e meios de armazenamento de energia [56] em reatores nucleares [57] e energia solar 
torres [58], devido às vantagens da simplicidade e custo-benefício [59] A outra aplicação 
emergente de sais fundidos é baseada em capacidade de atuar como um meio de melhoria da 
difusão para promover substâncias químicas reações [60–62]. Por exemplo, Li et al. [61] 
relataram que a dissolução de SrO em KCl fundido aumenta a difusão de espécies iônicas Sr2 + 
e O2− para a superfície das partículas de TiO2 imersas no fundido, levando à síntese fácil de 
Sr3Ti2O7. Nós relatamos que o a hidrólise do LiCl fundido leva à formação de O2−. 
A reação de O2− e Li + com partículas de Nb2O5 adicionadas ao fundido promoveram a 
formação ultra-rápida de LiNbO3, muito mais rápida que a síntese em estado sólido métodos 
[62]. Também informamos que a exposição ao fundidomeios de sal podem aumentar a 
cristalinidade dos materiais grafíticos [63]. Essas observações sugerem que os sais fundidos 
podem ser capazes de agir como meio de grafitização para melhorar a qualidade dos carbonos 
derivados de plástico. Considerando que o NaCl é o sal mais barato e um dos mais abundantes 
materiais naturais, aqui, pirólise de PET derretida assistida por NaCl é proposto para a 
preparação ecológica e econômica de um carbono nanomaterial possuindo uma combinação 
de propriedades interessantes, como área de superfície alta (522 m2 g − 1 ), um baixo valor de 
Raman ID / IG (0,47) e um alto valor de Raman I2D / IG (0,52). Essas características resultaram 
em uma impressionante condutividade elétrica de 1150 S m-1 obtida sob uma pressão de 
compressão de cerca de 6 MPa, correspondente a uma densidade aparente de cerca de 1 g cm 
− 3 . O processo de sal fundido de etapa única empregado aqui poderia produzir material de 
carbono derivado de plástico da mais alta qualidade que foi relatado até agora, com o melhor 
de nosso conhecimento. 
 
2. Experimental 
 2.1 Preparação de carbono nanoestruturado usando precursor de PET 
 Uma garrafa de água plástica foi cortada em pedaços pequenos (cerca de 10 × 5 mm) usando 
uma tesoura. 9,83 g de pedaços de plástico foram colocados em uma alumina cadinho com 
diâmetro interno aproximado e altura de 50 mm e 100 mm, respectivamente. Então, 50,80 g 
de cloreto de sódio (NaCl, Aladdin C111533, pureza 99,5%) foi adicionado ao cadinho. O 
cadinho foi colocado em um forno de resistência e aquecido na atmosfera de ar do forno a 10 ° 
C min-1 a 1300 ° C e, em seguida, imediatamente arrefecido com uma taxa de aquecimento 
aproximadamente igual à da sala temperatura. A mistura sólida preta de sal solidificado e 
carbono produto foi colocado em quantidade suficiente de água destilada, na qual o o sal foi 
dissolvido. O produto de carbono (1,15 g) foi então recuperado da suspensão por filtração a 
vácuo usando um papel de filtro, e secagem ao ar a 80 ° C durante a noite. 2.2 Métodos de 
caracterização As avaliações por microscopia eletrônica foram realizadas usando um Nano-
SEM 450 equipado com analisador de raios-X dispersivo de energia (EDX) e uma pistola de 
emissão de campo FEI Tecnai F20 de 200 kV de alta resolução (HRTEM). Os padrões de difração 
de raios X (DRX) foram registrados em um Difratômetro de raios X 1710 (DRX) com radiação Cu 
K-alfa (k = 1,54 Å) em um tamanho de passo e um tempo de espera de 0,05 2θ e 5 s, 
respectivamente. Os padrões de DRX foram então analisados usando o X'Pert High Programa 
Score Plus. A espectroscopia Raman foi realizada usando um Ramanscope Renishaw 1000 com 
um laser de íons He-Ne de comprimento de onda de 633 nm (vermelho, 1,96 eV). A análise 
gravimétrica térmica (TGA) e a calorimetria diferencial de varredura (DSC) foram realizadas 
simultaneamente usando um analisador térmico modelo SDT-Q600 equipado com alumina 
cadinhos a uma taxa de aquecimento de 40 ° C min-1 sob uma taxa de fluxo de ar constante de 
100 ml min-1 através da câmara de amostra. A análise da área superficial de Brunauer-
Emmett-Teller (BET) foi realizada por registro de isotermas de adsorção / dessorção de 
nitrogênio usando uma técnica volumétrica estática com um analisador Micromeritics TriStar 
3000 V6.04 A a -196 ° C. A medição da condutividade elétrica foi realizada por comprimir 0,5 g 
do material de carbono num tubo de acrílico (ID = 20,05 mm, H = 45,37 mm) usando um pistão 
de latão (D = 20,05 mm, H = 85,36 mm) em um suporte de cobre. O pó de carbono foi 
compactado sob diferentes valores de pressão de até cerca de 6 MPa usando um pressione. 
Em diferentes pressões, vários valores de corrente elétrica no faixa de 0,16–3 A foi conduzida 
entre o pistão de latão e o cobre detentor, e os potenciais correspondentes foram registrados 
usando o método DC de quatro sonda a 20 ° C. A resistividade elétrica do compressor o pó de 
carbono foi calculado usando a equação: