Nanocompósitos de Fe3O4 de carbono magnético sintetizados via aquecimento por indução magnética

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7244 (2023) Citar este artigo

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O aquecimento por indução magnética (MIH) de nanopartículas de magnetita é empregado como um novo procedimento de síntese de nanocompósitos magnéticos à base de carbono. Nanopartículas magnéticas (Fe3O4) e frutose (relação de peso 1:2) foram misturadas mecanicamente e submetidas a um campo magnético de RF (305 kHz). O calor gerado pelas nanopartículas leva à decomposição do açúcar e à formação de uma matriz amorfa de carbono. Dois conjuntos de nanopartículas, com diâmetros médios de 20 e 100 nm, são analisados ​​comparativamente. As caracterizações estruturais (difração de raios X, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de transmissão (TEM)), elétrica e magnética (resistividade, magnetometria SQUID) confirmam o revestimento de nanopartículas de carbono através do procedimento MIH. A porcentagem da fração carbonácea é adequadamente aumentada controlando a capacidade de aquecimento magnético das nanopartículas magnéticas. O procedimento possibilita a síntese de nanocompósitos multifuncionais com propriedades otimizadas para aplicação em diferentes campos tecnológicos. Particularmente, a remoção de Cr (VI) em meio aquoso é apresentada empregando o nanocompósito de carbono com nanopartículas de Fe3O4 de 20 nm.

Os nanocompósitos, definidos como materiais multifásicos onde a matriz apresenta pelo menos uma de suas dimensões abaixo de 100 nm, representam uma classe de nanomateriais que vem sendo extensivamente estudada há várias décadas1. Em particular, sua natureza multifuncional oferece a possibilidade de aplicá-los em diferentes setores que abrangem uma ampla gama de aplicações tecnológicas. A combinação de diferentes elementos com propriedades catalíticas, magnéticas, eletrônicas e ópticas específicas, bem como a funcionalidade da superfície, leva a seus excelentes desempenhos otimizados. Dentre esses sistemas, destacam-se os nanocompósitos magnéticos de carbono2,3,4,5,6, onde o revestimento das nanopartículas magnéticas com carbono, além de proporcionar a multifuncionalidade desejada, aumenta a estabilidade térmica e química, resistência à oxidação, garantindo biocompatibilidade e alta área superficial específica. Um controle adequado dos grupos funcionais na superfície do carbono leva a adsorventes de poluentes altamente eficientes, nanocarreadores para administração de drogas e terapias contra o câncer, além de otimizar o desempenho do nanocompósito como eletrocatalisadores ou componentes de armazenamento de energia em baterias de lítio. Além disso, o núcleo magnético amplia a funcionalidade do nanocompósito: separação magnética (recuperação e reciclagem de adsorventes de poluentes), aplicações biomédicas (administração de medicamentos com temperatura assistida, hipertermia magnética, agentes de contraste de imagem) ou absorventes e filtros eletromagnéticos de micro-ondas, entre outros.

Diferentes processos químicos podem ser empregados na preparação de nanoestruturas baseadas em carbono7, a maioria deles baseada no tratamento térmico de precursores selecionados em temperaturas elevadas (ou seja, método hidrotérmico/solvotérmico, procedimento de pirólise, processo sol-gel). No entanto, procedimentos de aquecimento por radiação não térmica também têm sido explorados e analisados ​​como técnicas eficientes para nanomateriais e nanocompósitos sintetizados8. Nestas técnicas (ou seja, aquecimento por micro-ondas, aquecimento por laser, aquecimento por Joule ou aquecimento por indução magnética) o calor é gerado direta e localmente no interior dos objetos, ao contrário dos tratamentos térmicos tradicionais onde o calor externo é transferido para os objetos através de um meio.

Particularmente, o Aquecimento por Indução Magnética (MIH) é uma ferramenta metalúrgica tradicional baseada no aquecimento vinculado à geração de correntes parasitas mediante a aplicação de um campo magnético AC em elementos metálicos (condutores)9. O aquecimento Joule dá origem a um aquecimento quase instantâneo a temperaturas muito altas em segundos. No entanto, é bem conhecido e amplamente relatado nas últimas décadas que as nanopartículas magnéticas (MNPs) podem atuar como nanoaquecedores, ligadas aos seus processos de histerese magnética, relaxamento e ressonância quando submetidas a um campo magnético de RF (hipertermia magnética)10,11. Nas últimas décadas, um grande esforço tem sido feito em sua aplicação no setor biomédico (medicamentos e terapias oncológicas)12,13. No entanto, sua aplicação em outros campos tecnológicos, como a síntese de novos nanocompósitos, tem sido pouco analisada na literatura. Particularmente, a geração de calor de MNPs sob campo magnético AC pode ser empregada para calcinar um gel precursor de óxido de metal14, crescimento controlado de estruturas metal-orgânicas15, nanocatalisador de hidrogenação de Ru16 ou nanopartículas de óxido de ferro magnético otimizado17.