Fibras de Carbono Ativado Revestidas com Nanofios de Prata de Alto Desempenho via Auto-Montagem e Recozimento Térmico Rápido

Resumo

Nanomateriais anisotrópicos modificando fibras de carbono surgem como alternativas superiores a compósitos convencionais. Relatamos a fabricação de fibras de carbono ativado (ACFs) densamente decoradas com nanofios de prata usando uma abordagem de auto-montagem facilitada seguida por recozimento térmico rápido. Fibras de viscose foram primeiro impregnadas com nanopartículas de prata (AgNPs) encapsuladas por poliamina-amino hiperramificado (HBPAA), que proporcionaram atração eletrostática e mediação de grupos amino para revestimento monodisperso. Pré-oxidação e carbonização subsequentes em forno de extremidade aberta produziram ACFs que liberaram espontaneamente Ag líquido de seus poros, que se solidificou em nanofios ao resfriamento rápido. FESEM confirmou a presença de nanofios de Ag crescendo a partir de poros de ACF; XPS e XRD demonstraram que a prata permaneceu metálica após tratamento de alta temperatura, e TGA mostrou que a estabilidade térmica foi preservada. As ACFs revestidas com nanofios de Ag exibiram atividade antibacteriana robusta e de longo prazo contra Escherichia coli e Staphylococcus aureus. Este trabalho oferece uma rota escalável para engenhar fibras de carbono ativado funcionalizadas com nanofios metálicos com aplicações potenciais em filtração, catálise e têxteis antimicrobianos.

Contexto

Fibras de carbono (CFs) são definidas como fibras contendo pelo menos 92% de carbono em peso e são tipicamente derivadas de precursores poliméricos como poliacrilonitrila (PAN), piche, celulose, lignina e polietileno. O PAN permaneceu por muito tempo o precursor mais amplamente usado devido à sua excelente fiabilidade e alto rendimento de carbono, mas o alto custo de produção ainda limita a implantação em larga escala. Fibras de carbono ativado derivadas de celulose (ACFs) apresentam uma alternativa atraente de baixo custo: sua microestrutura porosa proporciona áreas de superfície específicas de 1.000–1.500 m² g⁻¹ e milhões de microporos de 1–4 nm, dando-lhes desempenho de adsorção superior comparado ao carvão ativado convencional.

A nanotecnologia acelerou a integração de nanomateriais inorgânicos com substratos de carbono, desbloqueando propriedades sinérgicas que superam cada componente isolado. Por exemplo, CFs decoradas com nanopartículas de Ag (AgNPs) demonstraram aumento de quatro vezes na redução fotocatalítica de CO₂ a CH₃OH, atribuída a adsorção aprimorada de CO₂ e transferência de elétrons. Da mesma forma, nanopartículas de CoSe₂ depositadas em CFs tridimensionais produziram eletrocatalisadores altamente ativos e estáveis para evolução de hidrogênio em meio ácido. No entanto, a maioria dos nanomateriais inorgânicos são esféricos; estruturas anisotrópicas como nanofios, nanofolhas e pontos quânticos são cada vez mais procuradas porque podem conferir condutividade direcional, ressonância de plasmon de superfície e intertravamento mecânico.

Neste trabalho, projetamos ACFs "densamente cobertas" por nanofios de Ag através de uma rota de auto-montagem seguida por recozimento térmico rápido. AgNPs modificadas com HBPAA foram sintetizadas via redução hidrotérmica em um template de HBPAA. Atuando como cola molecular, HBPAA permitiu que AgNPs carregadas positivamente se auto-montassem uniformemente sobre celulose de viscose através de atração eletrostática e ligações de hidrogênio. As VFs revestidas com AgNPs foram então submetidas a pré-oxidação e carbonização em forno de extremidade aberta selado por chamas de alta temperatura na entrada e saída. O resfriamento rápido na saída desencadeou extrusão capilar-dirigida de Ag fundido dos poros de ACF, que se solidificou em nanofios que se projetaram da superfície da fibra.

Métodos

Preparação de ACFs com Nanofios de Ag

Primeiro sintetizamos AgNPs encapsuladas por HBPAA conforme descrito em nosso trabalho anterior. Fibras de viscose (2 g) foram então imersas em solução de AgNP a 4.000 mg L⁻¹ a 98 °C por 3 h para permitir auto-montagem na superfície da fibra. Após secagem em estufa e armazenamento no escuro, as fibras revestidas foram submetidas a tratamento térmico de duas etapas: (i) oxidação a 350 °C em atmosfera de vapor d'água para formar polímeros tipo escada, e (ii) carbonização até 850 °C sob gás inerte para produzir carbono turbostrático. O forno foi deliberadamente de extremidade aberta e selado por chamas em ambas as extremidades, permitindo que as fibras saíssem da câmara à temperatura ambiente, etapa chave para a contração rápida que impulsiona a extrusão de Ag líquido.

Caracterizações

Morfologia e distribuição elementar foram examinadas por FESEM (S-4200, Hitachi) equipado com EDS. Química de superfície foi sondada por XPS (ESCALAB 250 XI, Thermo Scientific) e XRD (D8 ADVANCE, Bruker). Comportamento térmico foi avaliado via TGA (TG 209 F3 Tarsus, Netzsch). Atividade antimicrobiana contra E. coli e S. aureus foi avaliada usando o método de frasco agitado (GB/T 20944.3-2008).

Resultados e Discussão

A estratégia de auto-montagem e recozimento térmico rápido produziu ACFs densamente cobertas com nanofios de Ag, como ilustrado na Fig. 1. Imagens FESEM (Fig. 2) revelaram que VFs puras possuíam sulcos longitudinais lisos, enquanto VFs revestidas com AgNPs exibiram partículas brancas brilhantes monodispersas (3–80 nm) que mantiveram a morfologia de sulcos. Após carbonização, as fibras tornaram-se felpudas e apresentaram nanofios de formato irregular (~50 nm) protruindo da superfície, confirmando que AgNPs se transformaram em nanofios.

FESEM transversal (Fig. 3) mostrou que tanto ACFs puras quanto ACFs com nanofios de Ag continham poros abundantes. Nas últimas, nanofios de Ag pareciam crescer das bocas dos poros, com uma extremidade ancorada no poro, sugerindo mecanismo de crescimento dirigido por infiltração capilar de Ag fundido nos poros e solidificação rápida ao resfriamento. O ponto de fusão de AgNPs de 10–20 nm (~129 °C) permite liquefação na temperatura de carbonização (850 °C), e o design do forno selado por chamas de alta temperatura garante têmpera rápida, que espreme o Ag fundido para fora dos poros como nanofios.

Análise EDS (Fig. 4) detectou sinais fortes de Ag além de C e O, confirmando a presença de prata. XRD (Fig. 6) exibiu picos característicos de Ag cúbico de face centrada (111, 200, 220, 311) nas ACFs com nanofios de Ag, indicando que a prata permaneceu metálica após tratamento de alta temperatura. XPS (Fig. 7) revelou energias de ligação Ag 3d de 373,9 eV e 367,9 eV, consistentes com Ag metálico. A razão C/O aumentou após carbonização, refletindo remoção de grupos contendo oxigênio e geração de redutores CO/CH₄ que provavelmente reduziram Ag oxidado à forma metálica.

Análise termogravimétrica (Fig. 8) demonstrou que ACFs com nanofios de Ag mantiveram excelente estabilidade térmica, com apenas 8,4% de perda de peso até 1.000 °C. A presença de HBPAA na superfície da fibra atuou como casca protetora, retardando decomposição durante oxidação. O desempenho térmico das ACFs com nanofios de Ag igualou o de ACFs puras, confirmando que o revestimento de Ag não comprometeu a integridade estrutural.

Testes antibacterianos (Tabela 1) mostraram que ACFs com nanofios de Ag alcançaram >99% de inibição contra E. coli e S. aureus, mesmo após 30 lavagens ultrassônicas. A atividade durável é atribuída ao forte intertravamento mecânico entre nanofios de Ag e matriz porosa de ACF, prevenindo lixiviação de nanopartículas de Ag.

Conclusões

Em resumo, desenvolvemos um método escalável para fabricar fibras de carbono ativado revestidas com nanofios de Ag combinando auto-montagem mediada por HBPAA com forno de resfriamento rápido de extremidade aberta. As fibras resultantes exibem uma rede densa de nanofios de prata metálicos firmemente embutidos na matriz de carbono poroso, conferindo ao material excelente estabilidade térmica e notável desempenho antibacteriano de longo prazo. Esta abordagem fornece uma plataforma versátil para integrar nanoestruturas metálicas anisotrópicas em fibras de carbono ativado para aplicações que vão de filtração a têxteis antimicrobianos.