Grafeno - setembro 2022

no 4 | setembro 2022

INMETRO CRIA “FÓRUM GRAFENO”

GRAFENO PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS ESTRUTURAS DE GRAFENO EM SISTEMAS DE TRATAMENTOS DE ÁGUAS EQUIPE B’ENERGY RACING – CENTRO UNIVERSITÁRIO FACENS CENTRO DE INOVAÇÃO E TECNOLOGIA SENAI, CIT SENAI

conteúdo | no 4 | setembro 2022

Foto de capa Canva.

SF Editora é uma marca da Aprenda Eventos Técnicos Eireli (19) 3288-0437 Rua Ipauçu, 178 - Vila Marieta, Campinas (SP) www.sfeditora.com.br

COLUNAS Editorial 5 Grafeno, a maturidade está muito próxima por Marco Antonio Colosio Caros leitores, estamos avançando a cada dia e pavimentando os caminhos do produto grafeno em nosso país.

Marco Antonio Colosio Editor, marcocolosio@gmail.com

Leandro Antunes Berti Co-editor, www.leandroberti.com.br

Marcelo Alexandre Tirelli Coordenador de Reportagens Técnicas, dr.marcelotirelli@gmail.com

Camila Boldrini Nascimento Coordenadora Técnica, camila.nascimento@fsa.br

Coluna 6 Grafeno, grafite e lubrificantes por Fernando Galembeck Grafeno é muito abundante na Natureza, como componente da grafite mineral que é encontrada em muitas partes do mundo.

Udo Fiorini Publisher, udo@sfeditora.com.br • (19) 99205-5789

Mariana Rodrigues Redação – Diagramação, marianar205@gmail.com • (19) 3288-0437

André Júnior Vendas, andre@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437

Coluna 8 Revestimentos Nanoestruturados em Pó por Diego Piazza As tintas em pó apresentaram um crescimento expressivo no mercado durante a década de 90, associado à evolução das técnicas de aplicação utilizadas para a obtenção de camadas de baixa espessura.

ANUNCIANTES Fundação Santo André fsa.br/vestibular

2

Coluna 9

Bruker 45

Dois Mundos em Revolução: Ensino e Mercado de Trabalho? por Erwin Franieck As atividades de ensino e pesquisa vem sendo desafiadas há mais de uma década pela era do conhecimento, suplantando a era da Industrialização.

SAE BRASIL 46

Coluna 11

Challenger UFABC 16 www.linkedin.com/company/ufabc-challengerelectric-racing-team/?originalSubdomain=br www.bruker.com

www.saebrasil.org.br

Portal Aquecimento Industrial www.aquecimentoindustrial.com.br

33

Grafeno: Cenário do P&D e a Proteção Intelectual por Leandro Berti Caros leitores, nesta ocasião gostaria de apresentar mais alguns números a respeito do cenário do Grafeno no Brasil.

Coluna 15 Grafeno: Cenário do P&D e a Proteção Intelectual por Valdirene Sullas Teixeira Peressinotto Caros leitores, a Europa é considerada o berço do Grafeno.

Revista Grafeno | setembro 2022 | 3

conteúdo | no 4 | setembro 2022

ARTIGOS Inmetro cria “Fórum Grafeno” com Representantes Internos e Externos à Instituição Visando Estimular o Diálogo entre Empresas, ICT’s e Governo 17 por Joyce Rodrigues de Araujo O objetivo do “Fórum Grafeno” é promover o diálogo entre empresas, instituições de ciência e tecnologia (ICT’s) e governo e ser um Lócus de discussão no sentido da criação de uma agenda de entendimentos e ações coordenadas tratando de assuntos relevantes à comercialização de produtos à base de grafeno no país.

Grafeno para Veículos Elétricos 20 por Stephen Hodge, Jim Barnett, Andrew Whitehead, Paul Denney, Les Bell, Suhao Li, John Benson, Mayank Gautam, Pei Yang, Jorge Valle, Roberto Clemente, Neill Ricketts Os últimos anos testemunharam um aumento na adoção de veículos movidos a combustíveis alternativos além dos veículos com motor de combustão interna (ICEVs - internal combustion engine vehicles).

Centro de Inovação e Tecnologia Senai, Cit SENAI – Onde o Futuro da Indústria se faz Presente Agora por SENAI O Centro de Inovação e Tecnologia SENAI, CIT SENAI, é uma unidade SENAI composta por um conjunto de Institutos de Inovação e Institutos de Tecnologia focados na competitividade industrial.

34

B’Energy Racing Team 36 por Luiz Henrique Aguiar Campos A equipe B’Energy Racing já representa o Centro Universitário Facens na competição de Formula SAE Elétrico há 10 anos, sendo uma das primeiras equipes do país.

Potencialidades de Estruturas de Grafeno e seus Derivados para Aplicações em Sistemas de Tratamentos de Águas por Robson P. Almeida e Jairo J. Pedrotti O acesso a água potável é um direito reconhecido pela Assembleia Geral da Organização das Nações Unidas (ONU) em 28 de julho de 2010 para sustentar a vida e assegurar saúde e o bem-estar das pessoas.

4 | setembro 2022 | Revista Grafeno

39

editorial

Grafeno, a maturidade está muito próxima C

aros leitores, estamos avançando a cada dia e pavimentando os caminhos do produto grafeno em nosso país, sendo para um interesse em negócios ou para criação de tecnologias e produtos, e esta edição vai deixar claro este panorama. Sintam-se à vontade para curtir o que estamos trazendo de melhor para vocês.

Entendo que o grafeno tem se tornado a cada dia mais comum em conversas do nosso meio, diferente de tempos atrás, que à medida que se citava a palavra grafeno exigia-se uma explicação exaustiva do que se tratava; pois bem, é este o primeiro resultado positivo para a nossa evolução na área, a popularidade do tema e sua importância.

Ao longo desses últimos anos participei de diversos fóruns e discussões de temas sobre grafeno, e como uma contribuição importante na área, gostaria de mostrar que a evolução do cenário depende muito de como são conduzidos os projetos para conseguir alcançar o objetivo e o cronograma inicialmente proposto, sendo assim, diante da minha experiência na área publiquei recentemente um artigo de ensinamentos para alcançar sucessos ou evitar erros na condução de P&D&I dentro de um mercado altamente competitivo, recomendo visualizar a publicação na revista Industrial Heating e Forges da edição de junho de 2022, “P&D&I - A Arte de Sucesso” (1). Certamente, décadas de experiência mostraram-me que um desenvolvimento precisa focar fortemente no produto final e em seu período de retorno financeiro, ou seja, o “business case” e o “Payback” respectivamente, é neste conceito que pontos de vistas diferentes da sociedade afastam pesquisadores acadêmicos e executivos do setor privado; porém não será meu foco discutir essa questão, mas façam a leitura dessa matéria, será interessante assistir a realidade de uma situação complexa em um país que a academia e a indústria estão tão distantes.

Nesta edição da revista, estamos fortes na continuidade em atuar nos três campos principais, apresentar ICTs de referências no cenário local, fortalecer as iniciativas estudantis que ditarão o engajamento técnico de nossos futuros profissionais e trazer temas técnicos na área de grafeno que permeiam nosso meio. Neste último, cito uma publicação disponibilizada pela empresa europeia Versarien, com o título grafeno nos veículos eletrizados, campo que tenho exaustivamente debatido em diferentes fóruns brasileiros e sei que a nossa vocação neste campo, ainda em debate, vai ter uma aproximação muito forte com o grafeno para produtos na área de baterias, lubrificantes e compósitos leves de alto desempenho e muitos outros que o grafeno tem oferecido.

O ponto forte das edições anteriores da Revista Grafeno e desta edição presente é a qualidade de nossas colunas, com autores renomados dos mais diversos currículos que trazem amplamente o campo científico e tecnológico brasileiro, e nesta visão, asseguro que basta ler as colunas das edições da revista que o leitor vai ficar

muito familiarizado e conhecedor do tema, trata-se de um resumo “deep diving” no universo fantástico do grafeno.

A Revista Grafeno é uma das iniciativas da SAE BRASIL no campo de grafeno e nanotecnologia; atualmente a associação está colaborando com os trabalhos do INMETRO na capacitação brasileira nesta área, e portanto, nesta edição a pesquisadora Joyce R. Araujo relata a construção desta iniciativa, no qual tenho orgulho de fazer parte. Na minha visão, diante de um órgão governamental da importância do INMETRO, conclui-se facilmente a missão construtiva neste campo, a qual nos engrandece na continuidade dos nossos propósitos, porque temos a certeza que a importância desta área já é uma realidade brasileira.

Ainda no mês de novembro, realizaremos um simpósio SAE BRASIL do grafeno, como uma integração de pesquisadores, produtores e clientes finais deste produto, materializando nos encontros presenciais das mais diversas entidades, situação rara em anos de pandemia e isolamento social.

Aproveitem esta edição da Revista Grafeno porque fizemos o melhor, e por isso, convido-os para estarem perto dos nossos propósitos e aproveitem a oportunidade que criamos para viabilizar publicações técnicas, marketing tecnológico e comercial e preparem-se para a edição de fechamento do ano em dezembro.

Um grande Abraço e até breve!

Marco Antonio Colosio marcocolosio@gmail.com

Mentor do Núcleo Grafeno da SAE BRASIL. Diretor da Regional São Paulo da SAE BRASIL. Engenheiro Metalurgista e Doutor em Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-USP, pós-doutorado pela EESC-USP. Professor titular do curso de Engenharia de Materiais da Fundação Santo André e professor da pós-graduação em Engenharia Automotiva do Instituto de Tecnologia Mauá. Colaborador associado da SAE BRASIL com mais de 35 anos de experiência no setor automotivo nos campos de especificações de materiais, análise de falhas, P&D e inovações tecnológicas.

Revista Grafeno | setembro 2022 | 5

coluna

Grafeno, grafite e lubrificantes

G

rafeno é muito abundante na Natureza, como componente da grafite mineral que é encontrada em muitas partes do mundo. Adquirimos familiaridade com grafite desde a infância, usando-a nos lápis usados para escrever. Observando a escrita, aprendemos muito sobre a estrutura e propriedades do grafite. Aliás, a própria palavra significa “pedra ou mineral de escrever”.

Quando o lápis atrita o papel ele deixa um traço negro, e quando isso é repetido muitas vezes a grafite fica mais curta. Isso significa que ela pode ser separada em camadas muito finas, que aderem espontaneamente ao papel. Há lápis mais duros ou moles, designados de diferentes maneiras: números 1, 2 e 3, ou H ou B (com várias subdivisões), dependendo do fabricante. Um lápis mole produz traços mais escuros e se gasta mais rapidamente.

Portanto, a grafite de um lápis mole é transferida mais facilmente para o papel, que a de um lápis duro. Um lápis feito com grafite pura seria muito mole.

A facilidade de separação das camadas de grafite decorre da sua estrutura: ela é formada por átomos de carbono ligados entre si e formando moléculas planas, muito extensas. Cada uma destas é uma lâmina de grafeno e quando muitas lâminas estão unidas, deitadas umas sobre as outras, temos um cristal de grafite.

Na lâmina de grafeno, os átomos de carbono estão unidos por ligações covalentes, que são muito fortes. Cada átomo está unido a três outros, formando uma rede que tem enorme resistência à tração mecânica. Por outro lado, as forças que unem umas lâminas às outras são forças de van der Waals, muito menos intensas que as ligações químicas covalentes, mas suficientemente fortes para manter as moléculas de grafeno associadas, justapostas. Essa situação é muito parecida com o que observamos em um baralho de cartas: cada carta resiste muito bem a esforços mecânicos, mas as cartas empilhadas deslizam umas sobre as outras, com muito pouco atrito. Essas propriedades permitem que as cartas sejam embaralhadas facilmente, e também facilita as manipulações de mágicos.

Essas propriedades de grafeno e de grafite determinam as suas propriedades lubrificantes. Grafite em pó é usado como lubrificante, mas apenas em algumas aplicações. A principal limitação ao seu uso é a pouca adesão do pó às superfícies em que é aplicado, que é uma outra consequência da baixa adesão entre as lâminas de grafeno: quando um cristal de grafite pousa sobre uma superfície plana, ele adere a ela, devido às mesmas forças de van der Waals mencionadas acima. Mas aplicando ao cristal forças pequenas, as lâminas que não estão em contato direto com a superfície se destacam, deixando sobre a superfície apenas uma ou poucas lâminas de grafeno que são muito finas, não preenchem as rugosidades da

6 | setembro 2022 | Revista Grafeno

superfície e, portanto, não reduzem o atrito.

Por essas razões, grafeno e grafite são usados em lubrificantes, principalmente como aditivos em óleos e graxas lubrificantes, como mostram patentes concedido pelo escritório de patentes dos Estados Unidos. O USPTO já concedeu 67 patentes que incluem as palavras “graphene” e “lubricant” nas reivindicações.

A patente 10,787,624 reivindica o seguinte: “1. A solid-state lubricant composition comprising: graphene, an oxide of a metal, and a polymeric binder, wherein the weight percent of graphene is in the range of 80 to 85. 2. The solid-state lubricant of claim 1, wherein the metal is one of zinc, tin, molybdenum, silver, copper, lead, indium and antimony. 3. The solid-state lubricant of claim 2, wherein the metal is zinc. 4. The solid-state lubricant of claim 3, wherein the weight percent of the oxide of zinc is in the range of 5 to 20. …7. The solid-state lubricant of claim 6, wherein the weight percent of the polymeric binder is in the range of 5 to 8. 8. Solid-state lubricant of claim 1, wherein the polymeric binder is one of polyvinylidene difluoride, polyethylene oxide, polyvinyl acetate, and polytetrafluoroethylene.”

O grafeno a que se refere esse texto não é, certamente, o grafeno dito de “alta qualidade” apresentado em trabalhos de pesquisa acadêmica, ou em produtos de alguns fabricantes. Ao contrário, é formado por muitas lâminas de grafeno superpostas, até mesmo milhares de lâminas, para poder atuar como lubrificante.

Uma outra patente utiliza um procedimento complexo para fazer nanofitas de grafeno, mas não dispensa o uso de óleo. É a de número 11,365,122, que tem as seguintes reivindicações: “1.

Graphene nanoribbons of greater than 99% purity and a I.sub.2d/Ig ratio of 0.6 suspended in oil or lubricant. 2. The graphene nanoribbons of claim 1, wherein the length of the graphene nanoribbon is about 50 .mu.M. 3. The graphene nanoribbons of claim 2, wherein the purity is greater than about 99.5%.” Seguem-se outras quatro reivindicações que nsão apenas detalhamentos das primeiras.

A patente 11,221,187, intitulada “Process for applying graphene layer to metallic firearm elements” utiliza um lubrificante reativo, aplicado à ferramenta de corte usada na usinagem de uma peça metálica componente de uma arma de fogo. Sua primeira reivindicação é: “1. A method for applying a graphene layer to metallic firearm elements, the method comprising: providing: i. at least one element of material stock, ii. at least one mechanical machining device with at least one cutting mechanism, iii. a reactionary lubricant, placing the material stock on to a work surface of the machining device; initiating the mechanical machining device, wherein the cutting mechanism spins and shapes a firearm component; adding reactionary lubricant to the spinning cutting device engaged in shaping the firearm component and to the firearm component’s surface; and running an in situ formation process to shape out the firearm component, wherein the friction of the

coluna spinning cutting device and the reactionary lubricant creates at least one layer of graphene on at least the firearm component and reduces asperities in the material stock.” Este não é um procedimento simples e os inventores afirmam que o grafeno é formado in situ, a partir do lubrificante reativo, sendo depois aplicada uma camada de “liquid graphene”, sem esclarecer de que se trata.

A patente 11,332,688 é derivada de uma patente chinesa e descreve o uso de grafeno modificado quimicamente com uma cadeia carbônica sulfonada, análoga às que são comuns em moléculas de detergentes. Neste caso, o grafeno tem uma função dupla: contribui para a estruturação dos domínios de água e de óleo existentes na graxa e também atua como elemento de redução de atrito. Sua primeira reivindicação é a seguinte: “1. An anti-wear, anti-friction and stably-dispersed lubricating oil or grease, comprising a main component of a lubricating oil or grease and a sulfonated graphene grafted with a long carbon chain, wherein the mass ratio of carbon element to sulfur element in the sulfonated graphene grafted with the long carbon chain is 15-50, and the number of carbon atoms in the long carbon chain is 10-50.”

Um exemplo surpreendente é o das propriedades eletrônicas apresentadas por nano-graxas, na patente 11,145,185, “Nano memory device” segundo a qual lubrificantes contendo nanopartículas atuam como memristores, uma nova classe de componentes eletrônicos passivos que tem despertado interesse. Extrapolando, é possível imaginar que o lubrificante de uma máquina ou equipamento possa vir a ser usado como um componente eletrônico de memória ou mesmo como um sensor do seu estado e, portanto, das suas condições de funcionamento.

Esses exemplos mostram a multiplicidade de significados com que é hoje usada a palavra grafeno. Estes diferentes sentidos dados à mesma palavra em diferentes documentos tornam difícil para o leitor ter alguma certeza sobre o seu significado, sem não o que foi realmente usado em cada caso. Nos lubrificantes mencionados neste texto, é improvável que o produto resultante da aplicação contenha grafeno, embora este possa ter existido e desempenhado um papel essencial em algum momento do processo de fabricação.

Mas como já foi explicado acima, lâminas isoladas de grafeno não persistem como tal no ambiente: associam-se com outras lâminas, reconstituindo grafite, ou com outros materiais. Afinal, não sabemos como abolir forças de van der Waals.

O uso de compostos lamelares como lubrificantes não é exclusivo de grafeno e grafite. Existem outros produtos minerais com propriedades semelhantes, como a molibdenita que foi confundida com grafite (e com a galena, sulfeto de chumbo), até que o químico-farmacêutico sueco Scheele mostrasse que são substâncias diferentes. A molibdenita é um sulfeto de molibdênio. usado há décadas em um produto bem conhecido, o Molykote®, aditivo de óleos lubrificantes de motores. A molbdenita tem uma estrutura atômica em camadas na qual uma folha de átomos de molibdênio é sanduíchado entre duas folhas de enxofre. As ligações entre os átomos de molibdênio e enxofre são muito fortes. Estas camadas S-Mo-S são empilhadas uma em cima da outra, mas as ligações entre as camadas são muito fracas. Ou seja, é quimicamente muito diferente da grafite, mas seus átomos também estão fortemente unidos em camadas planas, que deslizam facilmente, umas sobre as outras.

Figura: (esquerda) representação esquemática da esfoliação de grafite e da sua reorganização sobre uma superfície. (direita): Fotos de um baralho de cartas, sendo separado em montes menores e espalhado sobre uma superfície.

Fernando Galembeck

É bacharel, licenciado e doutor em Química pela USP onde começou sua carreira e chegou a livredocente em 1977, depois de pós-doutorados nas Universidades do Colorado e da Califórnia e de um estágio no Unilever Research Port Sunlight Laboratory.

Mudou-se para a Unicamp em 1980, tornando-se professor titular em 1987. Dirigiu o Instituto de Química entre 1994 e 1998, foi Coordenador Geral da Universidade e se aposentou em 2011, assumindo a direção do Laboratório Nacional de Tecnologia, do CNPEM. Sempre manteve uma atividade ninterrupta e intensa de ensino de graduação e de orientação de estudantes, expressa em uma extensa produção científica e tecnológica que foi premiada em muitas ocasiões, no Brasil e Exterior, destacando-se os prêmios Álvaro Alberto em 2005 e o prêmio Anísio Teixeira de Educação, em 2011. Em 2020, recebeu o Prêmio CBMM de Tecnologia, a sua startup Galembetech recebeu prêmios da Abiquim e Abrafati e em 2021 foi premiado como Pesquisador Emérito do CNPq. Muitos dos seus estudantes destacaram-se profissionalmente, em universidades e empresas, no Brasil e no Exterior, sendo também premiados em muitas ocasiões.

Revista Grafeno | setembro 2022 | 7

coluna

Revestimentos Nanoestruturados em Pó

A

s tintas em pó apresentaram um crescimento expressivo no mercado durante a década de 90, associado à evolução das técnicas de aplicação utilizadas para a obtenção de camadas de baixa espessura. Dentre as vantagens destas tintas, é possível mencionar a não emissão de compostos orgânicos voláteis (VOC) e a não geração de efluentes tóxicos, uma vez que apenas componentes sólidos são utilizados em seu processo produtivo. Neste contexto de materiais, estão inseridas as resinas, cujo permitem elevadas propriedades de resistência química e mecânica. Além disso, a estrutura de algumas delas, permite modificações para o ajuste de determinadas propriedades finais, de acordo com a aplicação.

Os avanços na área da nanotecnologia impulsionaram os estudos envolvendo a utilização de nanocargas, como forma de substituição às cargas convencionais. A transição de micropartículas para nanopartículas produz mudanças significativas nas propriedades dos materiais.

O grafeno, um alótropo do carbono, aqui identificado como nanomaterial bidimensional, constituído por uma rede hexagonal de átomos de carbono ligados uns aos outros, tem permitido uma nova era de materiais. Pode-se dizer que, devido a suas características únicas, associado a versatilidade de aplicações, tornam o grafeno um material com significativo potencial, ao fato de despertar o interesse de diferentes setores industriais, que podem aplicar o grafeno em uma ampla gama de produtos e/ou processos.

A modificação da superfície do grafeno pode conferir efeitos funcionais ao sistema, melhorando assim a interação química com a matriz. A fim de promover melhorias associadas a adesão, o grafeno também pode ser utilizado em conjunto com diferentes agentes químicos. Também é possível a incorporação de outros nanomateriais no grafeno, resultando em melhorias associadas a propriedades específicas, tais como: propriedades bactericidas, bacteriostáticas, antifouling, hidrofobicidade, proteção à corrosão e as intempéries, propriedades mecânicas, entre outros. Neste sentido, diferentes estudos já reportam o uso de grafeno dopado com outros nanomaterias em sua superfície, ou até mesmo o uso de compósitos híbridos, adicionando duas ou mais cargas à matriz do revestimento.

As propriedades que o grafeno e/ou seus derivados proporcionam na matriz estão atreladas à diferentes condicionantes, entre elas à sua elevada área superficial específica, às suas características de interação com a matriz, e a dispersão desta nanocarga. Em especial, com relação aos revestimentos, pode-se inferir que, quando o grafeno e/ ou seus derivados conseguem atingir uma boa dispersão na matriz, pode-se potencializar as propriedades do revestimento, com melhorias de desempenho mecânico, físico e químico. Para garantir uma boa dispersão na matriz é necessário o desenvolvimento de técnicas complexas de processamento e fazer uso de análises pontuais sobre as características do novo nanocompósito, para assim entender as mudanças no processamento em relação à matriz original.

Por fim, registramos ainda, a possibilidade de destacar que, o grafeno e/ou seus derivados, assumindo um papel de nanocargas e/ ou nanoaditivos, podem atuar com forte potencial no desenvolvimen-

8 | setembro 2022 | Revista Grafeno

to de tintas inteligentes. Estes nanomateriais bidimensionais já são realidade para uma ampla cadeia de produtos e se tornam acessíveis uma vez que, além de serem utilizados na substituição total ou parcial de outras cargas, eles também permitem melhorias associadas ao processo. Desta forma, ao olharmos para o cenário global, o grafeno e/ou seus derivados quando incorporados em revestimentos em pó nanoestrutruados, pode-se vislumbrar melhorais nas propriedades do material base de um revestimento, no processo e nas propriedades do produto final. Esse análise global, permite avaliar a potencial viabilidade técnica e econômica do desenvolvimento de revestimentos nanoestruturados em pó a partir da incorporação de grafeno e/ou seus derivados, refletindo na competitividade do produto em questão.

Diego Piazza ucsgraphene.com.br

Bolsista de Produtividade Desen. Tec. e Extensão Inovadora 2. Possui graduação em Tecnologia em Polímeros pela Universidade de Caxias do Sul (2007), mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais (PGMAT) pela Universidade de Caxias do Sul (2011), e doutorado em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais (PPGEM), área de concentração Ciência e Tecnologia dos Materiais, pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2016).

Vice-diretor da Regional Sul da Associação Brasileira de Polímeros. Atualmente é professor da Universidade de Caxias do Sul, junto aos Programas de Pós-Gradução (mestrado e doutorado) em Engenharia de Processos e Tecnologias (PGPROTEC) e em Administração (PPGA), e nos cursos de Engenharia. Integra o Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação (TECNOUCS). Coordenador da UCSGRAPHENE. Coordenador da Pós-Graduação Lato Sensu em Espiritualidade no Trabalho da UCS. Membro do Comitê Técnico do INOVA-RS do Governo do Estado do Rio Grande do Sul. Diretor-Conselheiro do Sindicato das Indústrias de Material Plástico do Nordeste Gaúcho (SIMPLÁS). Exerceu o cargo de coordenador do Curso de Graduação Tecnológica em Polímeros da UCS, de 2011 a 2016, e do Laboratório de Polímeros. Atua nas áreas de nanocompósitos poliméricos, grafeno, smart materials, tintas, reciclagem de materiais, e no processamento de materiais poliméricos via injeção, extrusão, termoformagem e rotomoldagem. Tem experiência no desenvolvimento de projetos e em pesquisa junto a empresas nas área de ciência e engenharia de materiais.

coluna

Dois Mundos em Revolução: Ensino e Mercado de Trabalho

A

s atividades de ensino e pesquisa vem sendo desafiadas há mais de uma década pela era do conhecimento, suplantando a era da Industrialização. Formações em carreiras que parecem que perderão o sentido muito brevemente, as redes integradas criando algoritmos que nem os humanos os entendem, projetando HW da mesma forma , para se tornarem mais e mais poderosas. É como se o mundo real, criado pelo ser humano, em que vivemos estivesse sendo digitalizado, simulado, modificado e reconstruído nesta nova realidade. E devemos nos incluir, com os nossos conhecimentos, que serão sempre menores que a rede interligada, que estará sempre a passos à nossa frente e em breve a anos luz à nossa frente.

Como veremos a terra real e a virtual?

A Terra terá inicialmente um Gêmeo Digital que poderá ser simulada e redesenhada em todos os aspectos que os humanos a modificaram, tornando-a acessível apenas para as ferramentas digitais que as redesenharam.

Nosso desafio é acompanhar esta velocidade de desenvolvimento, preparando-nos e vivendo neste mundo conectado, virtualizado, com computações cognitivas ao nosso entorno que se integram a cada dia

mais e mais, dentro das esferas do IoT e cidades inteligentes, vivendo em casas inteligentes, se deslocando em mobilidades inteligentes nas relações com as indústrias e comércios inteligentes e usando os serviços inteligentes.

Ou seja, nossa carreira precisa se preparar para atuar em um mundo que será mais inteligente que cada um de nós brevemente. A Inteligência humana lógica, que necessita de boa memória e conhecimentos sobre a natureza será nivelada pela média e não será mais desafiada, pois haverá em nossa volta todo um sistema mais inteligente para nos atender.

Desta forma, o ser humano passará a ser um cliente neste processo, desenvolvendo as outras capacidades humanas ligadas à inteligência emocional, social e espiritual.

Desta forma, nossas crianças e jovens, já perceberam que investir em uma carreira atual de sucesso é algo que parece que não traz boas perspectivas, porém todos precisam ter seu sustento, que está sendo buscado dentro da casa dos pais até que fique mais claro em que devem se conectar.

Por outro lado quem está no mercado, percebendo a necessidade de trazer esta inteligência digital para dentro do seu negócio, como em um momento de catástrofe natural, ao encontrar alguma luz, que os permitam avançar nesta direção, investem em algo que os aproxime desta nova onda, e tentam avançar neste mundo o mais rápido que podem sem saber ainda se é o melhor caminho, mas não podemos ficar parados.

Revista Grafeno | setembro 2022 | 9

coluna

Figura 1. Uma grande iniciativa é a criação da Toyota Woven City, que na sua base irá demandar as novas formações para o futuro

É de fundamental importância que haja uma união forte entre todos os atores de uma cadeia de valor, para que desenvolvam formas de estudarem, se aprofundarem em conhecer estas cadeias e encontrando as ferramentas digitalmente integradas e inteligentes, podendo assim estabelecer planos de desenvolvimento e formação neste ramo de atividade. Assim como é fundamental apoiar a formação de jovens, adultos, cientistas, empresários a estudarem toda esta transformação inteligente para que tanto o jovem entenda que existe uma perspectiva e se envolva com esta missão, assim como os empresários invistam em formação e contratação deste novo perfil de humanos que serão a cada dia mais parceiros de “IAs”.

Hoje temos jovens desestimulados a seguirem inúmeras carreiras e empresários que não encontram recursos humanos para seus postos de trabalho da antiga economia.

Não é possível fazermos isso em uma empresa, em uma escola, em um silo fechado. As Habilidades sociais, emocionais e empreendedoras são fundamentais para se formarem núcleos, consórcios, associações, fundações, novas cidades, etc., que congreguem estes atores dispostos a criarem e compartilharem estas inteligências de cadeias de valor para as demandas que sabemos devem chegar de forma ampla a todos os níveis sociais.

Vamos criar nossa Tupy City?

10 | setembro 2022 | Revista Grafeno

Erwin Franieck franieck@unicamp.br 019 982051122

Engenheiro Mecânico de Projetos pela UNICAMP, professor e chefe do Colégio Técnico da UNICAMP, atuou por 35 nos na Bosch em Campinas, onde se aposentou como diretor de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação.

coluna

Grafeno: Cenário do P&D e a Proteção Intelectual

C

aros leitores, nesta ocasião gostaria de apresentar mais alguns números a respeito do cenário do Grafeno no Brasil. Para isto iremos analisar alguns relatórios do Governo Federal, em especial do MCTI e da FINEP. Desde o lançamento dos Planos de Ação Nacionais para Nanotecnologia e Materiais Avançados em 2018, houve um avanço significativo em termos de estruturação e na definição de prioridades no sistema de CT&I no Brasil. Com base nestes planos foram lançadas diversas chamadas de recursos não-reembolsáveis com a oportunidade de se desenvolver novas aplicações com o Grafeno.

O Brasil possui uma rede de Nacional de Carbono, que apoiada pelo CNPq já conta com mais de 40 pesquisadores distribuídos em mais de 14 instituições, em oitos estados.

Somado a isso existe o Instituto de Ciência e Tecnologia de Nanomateriais de Carbono (INCT-CN), sediado na UFMG e constituído por 25 instituições e uma equipe de 88 pesquisadores, com 24 pesquisadores concentrados em Minas Gerais, o Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN/ CNEN), Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Universidade Federal de Uberlândia (UFU), Universidade Federal de Viçosa (UFV), Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ), Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Universidade Federal do Triângulo Mineiro (UFTM), Universidade Federal de Lavras (UFLA), Magnesita, Nacional de Grafite e Vale; no Rio de Janeiro, o INMETRO, a Universidade Federal Fluminense (UFF), a Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e Petrobrás; em São Paulo, a Universidade de São Paulo (USP), Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), Universidade de São Paulo de Ribeirão Preto (USP-RP), Universidade Estadual Paulista (UNESP), a Universidade Mackenzie, Universidade Federal do ABC (UFABC), Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), Intercement, a Votorantin, e a Clariant; no Rio Grande do Sul, a Universidade Franciscana (UNIFRA), a Universidade Federal do Rio Grande (FURG), a Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA); no Paraná, a Universidade Federal do Paraná (UFPR), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR); na Bahia a Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS); em Goiás, a Universidade Federal de Goiás (UFG); em Pernambuco, Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE); no Maranhão a Universidade Federal do Maranhão (UFMA); em Alagoas, Universidade Federal de Alagoas (UFAL); e no Pará no Universidade Federal do Pará

(UFPA) e no Mato Grosso do Sul, a Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS) e a Universidade Federal da Grande Dourados (UFGD).

Além disso o Brasil conta com três grandes estruturas dedicadas para o desenvolvimento e produção de Grafeno: o CTNano/UFMG, instalado no Parque Tecnológico de BH (BHTEC). O CTNano possui também uma planta piloto capaz de produzir nanotubos de grafeno em larga escala, via CVD ou esfoliação química; o MackGraphe que trabalha na engenharia aplicada com Grafeno, outros nanomateriais, caracterização avançada, gestão e mercado, através de encomendas com empresas; e mais recente a Universidade de Caixas inaugurou o UCSGRAPHENE, com uma estrutura fabril com capacidade produtiva de até 5000kg por ano de Grafeno, que também atua com o setor privado potencializada pela Zextec Nano. Somados os investimentos de todas essas iniciativas, estimasse um total de mais de R$ 200 milhões dedicados ao desenvolvimento de ciência, tecnologia e inovação.

Conforme apresentado pela FINEP e o MCTI, no relatório Panorama Tecnológico Grafeno - Contexto Brasileiro e sua Demanda por Financiamento, a demanda para esses editais excedeu em muito os valores disponíveis em 2020. Os 8 editais e 1 encomenda tecnológica somaram mais de R$ 3 bilhões, para atender mais de 2213 projetos submetidos. No caso específico do tema grafeno, foram ao todo 76 propostas de projetos para o uso do Grafeno, o que representa apenas 3% das propostas submetidas. No entanto, os projetos de Grafeno solicitaram em média 17% dos recursos por edital Mas recentemente o Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI), órgão responsável pelo o registro e publicação de patentes, lançou um relatório sobre as Tecnologias com Grafeno: Panorama do Patenteamento no Brasil. Segundo o INPI as patentes brasileiras para o Grafeno, começaram a surgir em 2004, e que nos anos subsequentes até 2021, houve um acréscimo significativo, com a liderança de estrangeiros na quantidade de patentes depositadas no Brasil.

O relatório agrupou os pedidos de patentes em 22 categorias que podem ser subdivididas em dois grandes grupos: categorias relativas aos processos de produção do grafeno ou óxido de grafeno ou compósitos com grafeno e sua produção; e o grupo que inclui as categorias voltadas às diversas aplicações do grafeno. Para a categoria de compósitos com grafeno e sua produção, que representa o uso de Grafeno para gerar novas propriedades ou melhoradas em materiais compósitos, corres-

Revista Grafeno | setembro 2022 | 11

coluna

Figura 1. Crescimento de patentes registradas no Brasil (2004 - 2021)

ponde 31% dos pedidos de patentes, enquanto que a categoria de processos de produção do grafeno ou óxido de grafeno que se referem à produção do grafeno e seus diferentes derivados, como o óxido de grafeno, óxido de grafeno reduzido, nanofitas de grafeno e formas funcionalizadas, corresponde a 18% de todos os pedidos. As 20 categorias restantes foram classificadas nos campos de aplicação do Grafeno, sendo em maioria representada pela Eletrônica - aplicações em Eletrodos, Semicondutores, Baterias, Energia Fotovoltaica, Capacitores, Circuitos Impressos, Displays e Célula a Combustível (53%); Revistimentos – aplicações em filmes, tintas (comuns e condutoras) e outras composições aplicadas à superfície de materiais (22%); Saúde – aplicações em produtos e composições de aplicação médica, incluindo aplicações diagnósticas para identificação e quantificação, biossensores, além de materiais cirúrgicos e biocompatíveis (16%); Transporte – aplicações em veículos, para transporte de pessoas ou cargas, com destaque para os veículos elétricos e as aplicações direcionadas ao transporte aéreo ou aeroespacial (13%); e o restante dos pedidos estão em Medição, Controle/Monitoramento; Filtragem ou Separação; Petróleo; Perfuração; Telecomunicações; Têxteis; Computação; Biotecnologia; Construção; Tratamento de água ou esgoto; Metalurgia; Agricultura; Adesivos; Cigarros; Impressão 3D; e Vestuário. Vale ressaltar que a mais de um terço dos pedidos levantados não está válido no Brasil devido a restrições existentes de patentes concedidas. A Figura 1apresenta o contexto geral do crescimento no números de patentes de 2004 – 2021, tendo como destaque a empresa norte americana, Baker Hughes Incorporated, como maior detentor de patentes em Grafeno no Brasil no período.

Apesar de termos uma grande estrutura de P&D+I no Brasil, os estrangeiros são os que mais solicitam e detém patentes no Brasil. Fazendo um extrato dos pedidos de patentes, a origem dos depositantes, a liderança em solo nacional é dos Estados Unidos (38%); em segundo o Brasil (24%), seguido de Alemanha (6%) que juntos somam 68% de todos os pedi-

12 | setembro 2022 | Revista Grafeno

dos de patentes. Se levarmos em consideração a estratificação do cenário nacional, o Brasil possui 166 pedidos de patentes, sendo que a maioria dos pedidos (74%) são de instituições públicas ou privadas de ensino e pesquisa, seguido por depositantes em pessoa física (17%) e por e por ultimo empresas privadas (S/A, Ltda, Eireli, EPP) com 12%. O número de pessoas pedidos por pessoas físicas e empresas e tão pequeno que somando chegam a 48 pedidos, sendo 33 pessoas físicas e 15 empresas privadas somente. Interessante notar que a empresa nacional que mais realizadas pedidos de patente é a Petrobras S/A com 4 pedidos (2,4%), seguido da Vale S/A e a Blue Ocean com 2 pedidos cada (1,2%), a CEMIG e a Nanum Tecnologia ambas de Minas Gerais. O Brasil que detém 166 pedidos, e tem como principais titulares as instituições públicas ou privadas de ensino e pesquisa nacionais (74%), seguido por depositantes em pessoa física (17%) e por ultimo empresas privadas (S/A, Ltda, Eireli, EPP) com 12% dos pedidos de patente.

Uma análise mais aprofundada realizada pelo relatório do INPI, apresenta a origem dos pedidos de patente por estado e região no Brasil. O estado que mais possui pedidos de patente é São Paulo com 32%, seguindo de perto por Minas Gerais com 28%, na sequencia o Rio de Janeiro com 13%, o Pará com 7% e o Rio Grande do Sul com 6%. Se consideramos a visão por região encontramos que o Sudeste representa 69% dos pedidos, seguido pela região Sul com 12%, pela região Nordeste com 8%, pela região Norte com 7% e pelo Centro Oeste com 3%. Se considerarmos os pedidos de residentes nacionais, o resultado apresentado é de 19 categorias é Processos de produção do grafeno ou óxido de grafeno incluindo filmes condutores e nanofitas, (16%), Compósitos com grafeno e sua produção (27%) - grafeno (ou óxido de grafeno) a fim de melhorar a(s) propriedade(s) do material como: resinas, aditivos, polímeros, adesivos, catalizadores, substâncias cosméticas, componentes automotivos, composições cerâmicas, impermeabilizantes, dispersões ou soluções

coluna

Figura 2. Cenário de pedidos de patentes por região e categorias.

para diversas finalidades; seguido de aplicações de grafeno, que subdivide-se em: Agricultura (1,8%) - grafeno em fertilizantes, pesticidas, biocidas ou na liberação controlada destes ou ainda para o cultivo de plantas; Biotecnologia (1,8%) cultivo de células ou micro-organismos; Construção: cimentos, concretos, agregados em argamassas ou em outros dispositivos ou materiais de construção, , Ferramentas industriais: ferramentas de corte industrial, Têxteis: fibras ou fios, com um total de 2,4%; Aparelhos ou dispositivos eletroeletrônicos (42%) - produção ou modificação de eletrodos, capacitores, sensores, semicondutores, transistores, diodos, ímãs, bobinas, memórias digitais, impressoras 3D, fiação ou cabos elétricos, dissipadores, aquecedores, equipamentos de refrigeração, telas touch screen de celulares ou tablets etc; Embalagens / recipientes (3%) - revestimento de embalagens de alimentos ou bebidas para bloquear radiação UV ou auxiliar na conservação destes produtos; Mineração (3%) - pontos de transferência do minério ou no material compósito da peneira móvel usada na mineração, ou ainda no processo de produção de aglomerado (composto de finas partículas de minério de ferro) mais resistente ao manuseio, ao transporte e à água; Lubrificantes ou óleos (3,6%) - na composição de lubrificantes automotivos; em fluido empregado na indústria do petróleo e gás (ex.: na perfuração de poços); no fluido que lubrifica ferramentas industriais; ou em aditivos de fluidos, óleos e graxas para reduzir atritos entre componentes mecânicos de máquinas industriais; Petróleo (5%) - tubulações (ou risers de aço) da indústria petrolífera, nano catalizador de combustíveis ou as usadas na dessulfurização do petróleo; Revestimentos (7,3%) - fabricação de tintas condutoras, vernizes, materiais isolantes, adesivos ou filmes (condutores flexíveis ou para proteger dos raios UV, por exemplo) ou no revestimento do aço maraging; Saúde (30%) - fármacos e na liberação controlada destes no organismo, em próteses, na preparação de cimento

Leandro Antunes Berti www.leandroberti.com.br ósseo, na análise de materiais biológicos (no diagnóstico de doenças), em biomarcadores e sensores biológicos com sondas, em adesivos condutores para aparelhos médicos ou esportivos, em dispositivos cosméticos e médicos etc; Segurança (5,5%) - material compósito usado em blindagens balísticas multicamadas (coletes), em dispositivos de segurança de rede ou mesmo em dispositivos eletrônicos automáticos utilizados nas janelas de veículos para segurança de passageiros; Telecomunicações (11,5%) - antenas, radares, fibra ótica, filtro de frequência, circulador eletromagnético, divisor de potência, chave, proteção de fontes, cabos de rede ótica etc; Transportes (11%) - tecnologias utilizadas nas indústrias naval, automobilística, ferroviária, aeronáutica ou espacial; Tratamento de água ou esgoto (8,5%) - nanomembranas para filtrar resíduos durante a purificação da água e o tratamento de efluentes, ou ainda, em soluções químicas; Vestuário (1,2%) - usado no material das palmilhas de calçados; e Outros (5%) – pedidos não classificados nas categorias anteriores como peças com ímã de brinquedo educativo; peças de uma válvula de retenção; etiqueta adesiva para marcação de dados ou identificação e nanomembrana antiembaçantes para óculos. Vale ressaltar que cada patente analisada pode ser associada em mais de categoria. A Figura 2 apresenta uma visão geral dos pedidos por região e suas categorias.

Em resumo, dos 689 pedidos de patente levantados pelo relatório são em maioria de não residentes, correspondendo a 76% e em sua maioria de empresas privadas estrangeiras.

O maior depositante estrangeiro no Brasil é a Baker Hughes Incorporated com 3,6%, uma das maiores empresas de serviços de campos de petróleo do mundo, com faturamento na casa de US$ 21 bilhões, e de propriedade da General Electric (GE); seguida por depositantes residentes como a UFMG (2,7%) e a UFU com 2,7%. Mas em termos de origem dos depositantes, os Estados Unidos lideram com 38% de todos

Revista Grafeno | setembro 2022 | 13

coluna os pedidos de patente no Brasil. Outro panorama interessante apresentado no relatório é que a maioria dos pedidos de residentes é de Universidades públicas e privadas com 74%, com concentração nas regiões Sudeste (70%) e no Sul (13%), no qual São Paulo responde por 32%; Minas Gerais com 28%, Rio de Janeiro com 13% e Pará com 7%.

No que tange as tecnologias o destaque está nas categorias de Eletrônicos que responde por 53%; seguida de Revestimentos com 22%, Saúde com 16% e Transportes com 13%.

No âmbito das aplicações do grafeno o destaque está em Aparelhos ou dispositivos eletrônicos com 42%, seguida pela categoria de Controle, monitoramento e/ou medição de substâncias naturais ou sintéticas com grafeno com 38% e por fim a Saúde com 30%. Além disso houve grande concentração de pedidos para a categoria Compósitos com grafeno e sua produção com 27% e Processos de produção do grafeno ou óxido do grafeno e similares com 16%.

O cenário brasileiro dos pedidos e concessão de patentes para o Grafeno está apenas no início, mas é importante observar o grande interesse internacional em proteger as aplicações tecnologias de Grafeno no Brasil, provado pela liderança dos Estados Unidos em numero e quantidade de categorias. Precisamos nos atentar a isso e começar a proteger também nossas invenções e tecnologias à exemplo de outras nações soberanas, para que também desfrutar de um futuro rico e inovador.

Grafeno é o futuro da sustentabilidade!

Muito obrigado pela atenção e aproveitem a nossa Revista Grafeno.

Aguardem as novidades nas próximas edições.

FINEP. Panorama Tecnológico Grafeno. Contexto Brasileiro e sua Demanda por Financiamento. Disponível em: http://www.finep.gov.br/images/noticias/2021/Grafeno_ setorial_2021.pdf INPI. Tecnologias com Grafeno: Panorama do Patenteamento no Brasil Disponível em: https://www.gov.br/inpi/pt-br/assuntos/ informacao/arquivos/TecnologiascomGRAFENO_RadarTecnolgico_DIESP_2022atualizado.pdf

14 | setembro 2022 | Revista Grafeno

CEO da FIBER INOVA (www.leandroberti.com.br), Leandro Antunes Berti: Doutor em Nanotecnologia e Pós-doutor em Nanobiotecnologia e Presidente da Associação Brasileira de Nanotecnologia– BrasilNano, Mentor do Nucleo de Grafeno da SAE BRASIL; Foi Idealizador e Coordenador do SUPERHUB de Nanotecnologia do Paraná, foi Coordenador-Geral de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras (CGTC) e Coordenador-Geral de Tecnologias Estratégicas, do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicações do Brasil (MCTIC), responsável pela política pública nacional, estratégia, iniciativas de Nanotecnologia, Fotônica, Materiais Avançados e Manufatura Avançada. Criou o Plano de Ação Nacional de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras, incluiu a Nanotecnologia no programa Rota 2030, escreveu o Marco Legal da Nanotecnologia e Materiais Avançados (PL 880/2019). Foi Membro da Comissão de Ciência e Tecnologia do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia, BRICS WG Photonics National Representative, OECD (Bio-, Nano- and Converging Technologies (BNCT)) - Nanotecnology National Representative, Brazil-Canada Joint Committee for Cooperation on Science, Technology and Innovation; Diretor do Centro Brasileiro-Argentino de Nanotecnologia, Presidente do Centro Brasileiro-Chinês de Nanotecnologia. Foi Secretário Executivo do API. nano, na Fundação CERTI. Autor dos primeiros livros nacionais sobre regulação com Nanossegurança: Guia de Boas Práticas em Nanotecnologia para Indústria e Laboratórios e Nanossegurança na Prática: Diretrizes para análise de segurança de empresas, laboratórios e consumidores que usam nanotecnologia.

coluna

Comunidade do Grafeno no Brasil

C

aros leitores, a Europa é considerada o berço do Grafeno, as pesquisas desenvolvidas na Universidade de Manchester foram tão relevantes para o avanço do grafeno que resultou com o Prêmio Nobel de 2010 para os pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov.

Apear relevância europeia, o avanço tecnológico em torno do grafeno não está concentrado na Europa, temos trabalhos científicos relevantes em todos os continentes e o Brasil ocupa papel de destaque na América Latina. Porém devemos reconhecer que a Europa está organizada geopoliticamente para usufruir ao máximo o retorno econômico que o “grafeno” pode gerar e permanecer à frente no domínio de tecnologias importantes para os países europeus e diminuir cada vez mais a dependência da China.

Um dos programas mais relevantes na Europa para grafeno é o Graphene Flagship1 que está completando 10 anos. Com orçamentos de 1 bilhão de euros, o Graphene Flagship, o Human Brain Project e o Quantum Flagship atuam como aceleradores de tecnologia, tirando-as dos laboratórios para o mercado, ajudando a Europa a competir com outros mercados globais em pesquisa e inovação.

De 05 a 09 de setembro ocorreu a edição de 2022 do Graphene Week2, conferência realizada anualmente pelo Graphene Flagship.

Este ano o Graphene Week ocorreu no coração da inovação europeia – o mundialmente famoso BMW Welt em Munique, Alemanha.

O evento multidisciplinar reuniu as pesquisas mais recentes sobre grafeno e materiais relacionados, bem como os mais novos produtos habilitados para grafeno. O evento contou com 497 participantes, 101 palestrantes e 12 expositores.

Tive a oportunidade de participar desta edição do evento, de ouvir palestras de pesquisadores renomados como os dois pesquisadores agraciados com o prêmio Nobel, de ouvir e conversar com algumas empresas produtoras de grafeno e empresas usuárias como a Airbus.

O Brasil estava presente com participação de empresas como a Gerdau Graphene, de pesquisadores de centros de pesquisas nacionais e presente também como palestrante com a palestra proferida pelo professor Guilhermino Fechini da Universidade Presbiteriana Mackenzie.

Este evento me trouxe uma reflexão que preciso compartilhar aqui: As conferências internacionais na Europa, USA, ASIA, dentre outras são ótimas, devemos participar, aprendemos muito, fazemos boas conexões, porém estas conferências focam nos interesses e necessidades de seus países/regiões sede. Nos inspiramos nestas conferências, porem “Não vamos encontrar lá fora as soluções que precisamos aqui dentro!”

Seria muito proveitoso para o Brasil consolidarmos uma conferência científica de grande alcance, integrando conhecimentos fundamentais e aplicados com espaço para a indústria e, realizada por brasileiros para brasileiros, com repercussão internacional.

O Brasil apresenta “massa crítica” para avançar com o grafeno, temos pesquisadores brasileiros entre os mais renomados, bons centros de desenvolvimento tecnológico, indústria nacional e multinacional competitivas, temos produtos com grafeno chegando no mercado, temos diversas iniciativas de fomento e incentivo ao desenvolvimento, é verdade que os recursos ainda são escassos, mas as iniciativas são bem estruturadas, contudo, ainda estamos desorganizados! Muitas empresas nem sabem que existe uma instituição brasileira como a FINEP3, que existem iniciativas como a Embrapii4 por exemplo.

Uma das maneiras de educarmos o mercado sobre o potencial do grafeno, de divulgar os avanços tecnológicos, de promover a interação entre os centros de pesquisas, startups e setores industriais e de entender as dores da indústria que o grafeno pode resolver é através de boas conferências científicas/industriais.

O Brasil precisa divulgar melhor o que temos de BOM e promover uma maior integração da comunidade em torno do grafeno e quando uso o termo comunidade estou me referindo às instituições acadêmicas, tecnológicas, startups e indústria. Precisamos achar o caminho para que o conhecimento gerado chegue até o mercado!

Esta revista é um bom exemplo de iniciativa que a SAE trouxe para o Brasil, precisamos otimizar e potencializar iniciativas como esta.

[1] https://graphene-flagship.eu/

[2] https://graphene-flagship.eu/events/graphene-week-2022/ [3] http://www.finep.gov.br/ [4] https://embrapii.org.br/

Valdirene Sullas Teixeira Peressinotto Química formada pela UNICAMP e Mestre pelo CDTN em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais com ênfase em nanomateriais de carbono.

Trabalha desde 2008 com implantação e coordenação de projetos de PD&I em áreas da fronteira do conhecimento com interface entre a indústria e ICTs. Trabalhou na CODEMGE, jan/2016 a out/2021 na coordenação do Projetos MGgrafeno, uma parceria entre CODEMGE, CDTN e UFMG para levar ao mercado tecnologia de produção, caracterização e aplicações de grafeno.

Atualmente é Head de PD&I na Gerdau Graphene coordenando os desenvolvimentos e parcerias nacionais e internacionais.

Revista Grafeno | setembro 2022 | 15

A Universidade Federal do ABC (UFABC) é uma instituição pública federal de ensino superior do ABC paulista fundada em 2004.

Melhor universidade do Estado de SP no Índice Geral de Cursos (IGC) do MEC e primeiro lugar no ranking de cursos de graduação entre todas as universidades do Brasil.

Atualmente possui 21 cursos de graduação e cerca de 39 laboratórios à disposição, além de 25 entidades estudantis cobrindo desde áreas de engenharia aeroespacial e robótica, até as de cunho social.

O SAE Brasil & Ballard Student H2 Challenge, organizado pela Sociedade de Engenheiros Automotivos, é a primeira competição de Baja e Fórmula SAE elétricos movidos à hidrogênio do mundo.

Seu objetivo é transferir conhecimento e experiência sobre as tecnologias do hidrogênio para as universidades brasileiras em parceria com engenheiros experientes da indústria nacional e internacional.

A equipe Challenger Electric Racing Team esta muito feliz de poder anunciar que concluímos em 3 LUGAR esse desafio e pudemos garantir a capacitação dos membros e as conexões com grandes empresas!

Agradecemos ao apoio de todos que puderam colaborar com o nosso projeto!

INMETRO CRIA “FÓRUM GRAFENO” COM REPRESENTANTES INTERNOS E EXTERNOS À INSTITUIÇÃO VISANDO ESTIMULAR O DIÁLOGO ENTRE EMPRESAS, ICT’S E GOVERNO artigo

por Joyce Rodrigues de Araujo

O

objetivo do “Fórum Grafeno” é promover o diálogo entre empresas, instituições de ciência e tecnologia (ICT’s) e governo e ser um Lócus de discussão para a criação de uma agenda de entendimentos e ações coordenadas no País para tratar de assuntos relevantes à comercialização de produtos à base de grafeno.

O “Fórum Grafeno” surgiu como um desdobramento do Painel Setorial Grafeno, evento que ocorreu no Inmetro em 13 de abril de 2022, sendo um espaço aberto pelo Inmetro para que as empresas e outras ICT’s discutam suas questões mais urgentes na temática da padronização e certificação de grafeno aplicados à nanocompósitos, tintas e estruturas da construção civil. Dentre os principais tópicos que estão sendo tratado no fórum, destacam-se: 1) Aspectos tributários envolvendo a comercialização de produtos à base de grafeno.

2) Demandas a serem levadas para a ABNT em relação à nomenclatura e padronização de métodos de medição em nanomateriais/grafeno.

3) Barreiras técnicas encontradas para comercialização de produtos à base de grafeno.

4) Requisitos técnicos para homologação e homologação parcial de materiais à base de grafeno.

5) Harmonização de métodos e rotinas industriais de controle de qualidade para verificação de propriedades de interesse de matrizes contendo grafeno.

Um dos setores candidatos a utilização de grafeno em seus produtos é o setor automotivo, que hoje é cotado por outros setores da indústria para alavancar a produção em larga escala do grafeno. Porém, o maior gargalo para que isto aconteça é ter a confiabilidade necessária para manter as propriedades chave em uma mistura grafeno-matriz polimérica pré-fabricada.

A mistura parte da formulação de um concentrado do aditivo (grafeno, no caso) ou carga em forma de grãos, tipicamente conhecido como masterbatch, que é utilizado para incorporar propriedades adicionais à resina termoplástica desejada.

Na cadeia produtiva do setor automobilístico, a empresa vem

processando misturas de grafeno incorporando os masterbatches à resina, sendo que tipicamente estes insumos são comprados de terceiros, muitas vezes de empresas estrangeiras, como no caso do grafeno. O fabricante destes materiais geralmente fornece um certificado que atesta as propriedades de interesse, tais como porcentagem de impurezas, números de camadas, tamanho e forma da nanopartícula, nível de defeitos, etc.

Desta forma, a montadora não “enxerga” o grafeno que está inserido na matriz, mas sim a matéria-prima final, cujo certificado de qualidade, chamado na indústria de “homologação” é gerado uma única vez. O responsável técnico na linha de produção, o chamado “sistemista” compra o master de grafeno confiando em seu certificado. No estágio atual da certificação dos produtos à base de grafeno que já se encontram no mercado, ainda não há confiança se os materiais que circulam atendem aos requisitos técnicos especificados em normas, e se o material existente na formulação é realmente grafeno ou grafite, não tendo confiança em relação a um material ou peça produzida a partir desta matéria-prima. A partir do momento em que o material ou peça recebe a homologação, este é inse-

Figura 1. Primeira reunião em formato híbrido do “Fórum Grafeno” no Campus do Inmetro em Xerem, Duque de Caxias-RJ.

Revista Grafeno | setembro 2022 | 17

artigo

rido em um banco de dados que fica acessível para qualquer engenheiro desenhar o produto.

Sem a garantia das propriedades da mistura fornecida com o grafeno que já se encontra homologado no sistema, caso haja uma falha a partir do uso da peça em campo, todo o processo de produção fica comprometido. Este é um problema que as indústrias processadoras de misturas utilizando matéria-prima de grafeno encontram - enquadrar tais misturas a critérios de normas visando assegurar as propriedades declaradas nos certificados.

Em resumo, se existir confiabilidade na matéria-prima usada, o setor poderá ser alavancado no país. Para remediar a falta de confiança que existe no setor, é imprescindível a existência de normas para qualificar os diversos tipos de grafeno existentes no mercado no que tange às suas propriedades físico-químicas, dimensionais, estruturais, térmicas e mecânicas que, consequentemente, influenciam nas propriedades das misturas na macroescala, como, por exemplo, resistência à tração, dureza, fadiga, resistência ao impacto etc.

Algumas normas vêm sendo redigidas de forma consensual no comitê internacional ISO desde 2017, tais como a norma ISO/TS 80004-13 (Nanotechnologies – Vocabulary – Part 13: Graphene and related two-dimensional (2D) materials) que traz definições fundamentais sobre o que é grafeno, a norma ISO/TR 19733:2019 (Nanotechnologies — Matrix of properties and measurement techniques for graphene and related two-dimensional (2D) materials) que é um relatório técnico tratando de aspectos de caracterização de grafeno e, por último a ISO/TS 21356-1 (Nanotechnologies – Structural characterization of graphene – Part 1: Graphene from powders and dispersions), norma que foi publicada em 2021 trazendo metodologias e procedimentos de medição de grafeno.

Uma outra questão que está sendo discutida é em relação a comercialização nacional do grafeno e produtos derivados, tais como o seu enquadramento correto no âmbito econômico, seguindo a normativa NCM (Nomenclatura Comum do MERCOSUL). O código NCM faz parte do sistema de classificação regional para o bloco, adotado em 1995 para o comércio exterior entre Argentina, Brasil, Paraguai e Uruguai, e desde 2013 para o comércio doméstico no Brasil. Formalmente, não existem no âmbito econômico, o grafeno e seus derivados, sendo neste caso tributados como “outras formas de carbono” pelo código NCM 28030090. Dessa forma, as empresas solicitaram o apoio do Inmetro junto ao Ministério da Economia, para que essa questão seja resolvida o que contribuirá para que as empresas alcancem competitividade, incluindo incentivos fiscais, se tratando de nova tecnologia. A falta de uma base fiscal para o grafeno, não tendo um código NCM próprio, é um entrave para que as empresas tenham segurança na produção e comercialização de produtos à base de grafeno.

1 https://www.gov.br/receitafederal/pt-br/assuntos/aduana-e-comercio-exterior/classificacao-fiscal-de-mercadorias/ncm

18 | setembro 2022 | Revista Grafeno

Como funciona a tabela NCM1?

As mercadorias estão ordenadas sistematicamente na NCM, a priori, de forma progressiva, de acordo com o seu grau de elaboração, principiando pelos animais vivos e terminando com as obras de arte, passando por matérias-primas e produtos semiacabados. Assim, de modo geral, à medida que cresce a participação do homem na elaboração da mercadoria, mais elevado é o número do Capítulo em que ela será classificada. Os seis primeiros dígitos da NCM seguem, por convenção internacional, o SH e seus dois últimos dígitos são definidos pelo Mercosul.

A NCM tem a seguinte estrutura: • São seis regras gerais para Interpretação do Sistema Harmonizado e duas regras gerais complementares; • Notas de Seção, de Capítulo, de Subposição e Complementares; • Lista ordenada de códigos em níveis de posição (4 dígitos), subposição (5 e 6 dígitos), item (7 dígitos) e subitem (8 dígitos), distribuídos em 21 Seções e 96 Capítulos.

Figura 2. Imagem de amostras de diversos tipos de grafeno produzidas nos laboratórios do Campus do Inmetro em Xerém, Duque de Caxias-RJ.

Figura 3. Manipulação de amostras de grafeno nos laboratórios do Campus do Inmetro para caracterização físico-química, elétrica, estrutural e morfológica

artigo

O sistema NCM, como mencionado no texto supracitado, é baseado no Sistema Harmonizado de Codificação e Descrição de Mercadorias , mais conhecido como sistema harmonizado ou, simplesmente HS, uma nomenclatura de produtos internacionais multiuso desenvolvida pela Organização Mundial das Aduanas (OMA). São mais de 5.000 grupos de mercadorias classificados, cada um identificado por um código de seis dígitos. Mais de 98% das mercadorias no comércio internacional são classificadas em termos de HS. A classificação HS é revisada a cada cinco ou seis anos e a última revisão foi em 2021, com entrada em vigor em 01/01/2022, daí a sigla HS 2022.

O sistema HS é a base de todos os sistemas regionais e nacionais, já que a harmonização internacional demanda que os primeiros 6 dígitos coincidam em todos eles. Os sistemas regionais acrescentam dois dígitos para deixar a classificação mais específica quando necessário, ou seja, o código de seis dígitos é subdividido em mais de uma categoria. Se não ocorre essa necessidade, o sistema regional simplesmente acrescenta 00 ao código HS. Voltando à questão dos códigos para grafite e derivados, o sistema HS usa um código para o grafite natural e outro para grafite e outros preparados: • HS 250410 – Grafite natural, em pó ou em flocos; • HS 380190 – Grafite ou outros preparados baseados em carbono; na forma de pastas, blocos, discos ou outros semimanufaturados [Graphite or other carbon based preparations; in the form of pastes, blocks, plates or other semi-manufactures].

No código HS 380190: • 38 indica “Chemicals and related products, n.e.s. (not elsewhere especified)” • 3801 indica “Artificial graphite; colloidal or semi-colloidal graphite; preparations based on graphite or other carbon in the form pastes, blocks, plates or other semi-manufactures”, subdivididos em: • 380110 – Graphite; artificial • 380120 – Graphite; colloidal or semi-colloidal • 380130 – Carbonaceous pastes; for electrodes and similar pastes for furnace linings • 380190 – Graphite or other carbon based preparations; in the form of pastes, blocks, plates or other semi-manufactures Verifica-se que não há, de fato, uma classificação exclusiva para o grafeno e seus derivados, mas o grafeno, em variadas formas, se encaixa na subposição 380190. Tabelas sobre comércio exterior, disponíveis em sites como o do Banco Mundial, trazem estatísticas de importação sob o código HS 380190 e mencionam vários produtos relacionados a grafeno, como: • Graphene oxide [for lab purpose] • Graphene oxide sheets [for lab purpose] • Graphene oxide flakes 15-20 sheets [for lab purpose] • Graphene oxide powder (dry) • Graphene oxide dispersion in water • Reduced graphene oxide [for lab purpose] • High surface area graphene oxide 500mg • Graphene nanoplatelets powder oxidized [for lab purpose] • Graphene nanoribbons [for lab purpose]

Figura 4. Imagem de uma monocamada de grafeno obtida por microscopia eletrônica de transmissão, coletada no microscópio eletrônico de transmissão modelo Titan 80-300 kV, fabricante FEI Company, no Núcleo de Laboratórios de Microscopia do Inmetro.

Como a última revisão da classificação HS ocorreu em 2021, a próxima ocorrerá em 2026 ou 2027. Durante os próximos anos os Ministérios da Economia e das Relações Exteriores podem ser sensibilizados a levar à OMA o pleito da criação de uma nova subposição sob a posição 3801 para o grafeno e seus derivados.

Haveria que se preparar um arrazoado sobre a necessidade de sua criação, com fortes argumentos a serem considerados. Pode-se também criar um item na subposição 380190, na Nomenclatura Comum do Mercosul. Isso seria, a princípio, muito mais fácil, pois dependeria somente da concordância dos países do bloco e não de 184 membros, como ocorre na OMA. Sabe-se que há um forte apelo industrial pela matéria-prima grafeno e o conhecimento científico sobre grafeno já se encontra bastante amadurecido, já que, nos últimos anos houve um grande avanço no desenvolvimento de protocolos de medição das técnicas analíticas para determinação de suas propriedades. O Brasil já tem maturidade e know-how no tema e muitas instituições acadêmicas estão envolvidas no assunto. No entanto, quando observa-se o processo de produção de produtos contendo grafeno, por ser um tema inerentemente de inovação, ainda existe um grande desafio do ponto de vista normativo, fiscal e técnico e científico.

A ideia do “Fórum Grafeno” é trazer todas as questões relevantes à discussão, gerando um movimento sincronizado entre empresas, ICT’s e governo em direção das tratativas e soluções pertinentes, podendo ajudar na aceleração do processo de produção em larga escala de produtos contendo grafeno, a partir de métodos reprodutíveis e normalizados que garantam o controle de qualidade em todas as etapas do processo.

Joyce Rodrigues de Araujo, Chefe Substituta da Divisão de Metrologia de Materiais; Diretoria de Metrologia Científica e Tecnologia (Dimci)Divisão de Metrologia de Materiais (Dimat) (21) 2145-3045 | www.inmetro.gov.br

Revista Grafeno | setembro 2022 | 19

artigo

GRAFENO PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS por Stephen Hodge, Jim Barnett, Andrew Whitehead, Paul Denney, Les Bell, Suhao Li, John Benson, Mayank Gautam, Pei Yang, Jorge Valle, Roberto Clemente, Neill Ricketts

O

Introdução s últimos anos testemunharam um aumento na adoção de veículos movidos a combustíveis alternativos além dos veículos com motor de combustão interna (ICEVs - internal combustion engine vehicles); estes incluem veículos elétricos híbridos (HEVs - hybrid electric vehicles), veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs - plug-in hybrid electric vehicles), veículos elétricos a bateria (BEVs -battery electric vehicles) e veículos elétricos a célula de combustível (FCEVs - fuel cell electric vehicles).

Em 2020, um relatório do Comitê de Mudanças Climáticas do Reino Unido (CCC - Climate Change Committee) sobre a transição para veículos elétricos (EVs - electric vehicles) [1], destaca essa etapa como uma das ações mais importantes para atingir a meta Net Zero do Reino Unido. Até 2032, o mais tardar, o CCC pediu que todos os novos veículos leves vendidos, incluindo

20 | setembro 2022 | Revista Grafeno

veículos de passageiros, táxis, vans, motocicletas e ciclomotores, sejam veículos totalmente elétricos a bateria. Para atingir o Net Zero, todos os veículos – incluindo veículos pesados (HGVs -heavy-goods vehicles ) – devem ser livres de combustível fóssil até 2050. Para veículos de passageiros e vans, isso significará acelerar a aceitação de EVs de ~1% de todos os veículos do Reino Unido hoje para 23,2 milhões até 2032 (~55%), visando 49,0 milhões (100%) até 2050.

Este relatório [1] também afirma que, para atingir essas metas, o governo e a indústria do Reino Unido devem implementar uma série de políticas e mecanismos de mercado, ao mesmo tempo em que abordam as emissões de transporte mais amplas por meio da redução do uso de veículos. Embora as etapas necessárias para reduzir as emissões de transporte mais amplas sejam complexas, o caminho para uma transição completa para veículos elétricos de passageiros é claro e relativamente direto.

artigo

Figura1. Esquema mostrando as principais oportunidades para grafeno em aplicações automotivas, usado com permissão

Tecnologias disruptivas, como os EVs, enfrentam barreiras no mercado porque frequentemente se comparam inferiormente aos projetos dominantes existentes, como os ICEVs, em termos de preço e funcionalidades do produto [2]. A autonomia é uma das principais considerações ao comprar um veículo elétrico, mas há muitos outros fatores a serem levados em consideração. As milhas por quilowatt-hora (kWh), preço e tempo de carregamento são apenas três exemplos.

Atualmente no mercado estão os EVs que oferecem autonomias de 137 milhas (aprox. 200 km) (Honda e) - 412 milhas (aprox.

663 km - Tesla Model S Long Range). Embora a ansiedade de dirigir seja um medo de muitos motoristas de ICEV, na verdade a maioria dos proprietários de EVs não tem esses problemas, já que a viagem média no Reino Unido é inferior a 10 milhas [3], o que significa que não há necessidade de carregar um veículo por até uma semana em alguns casos.

No entanto, de acordo com o RAC (Royal Automobile Club) [4], é improvável que os EVs atinjam o alcance elétrico citado pelos fabricantes, pois vários fatores afetarão o alcance real do EV: • Idade da bateria - o declínio médio no armazenamento de energia é de 2,3% ao ano. Isso significa que um veículo elétrico com autonomia de 150 milhas perderá 17 milhas de alcance acessível

após cinco anos. A taxa de declínio diminui nos anos posteriores.

• Tamanho da bateria - Geralmente, quanto maior o tamanho da bateria (medido em kWh), mais longe você poderá viajar.

• Estilo de condução e fatores externos - a autonomia diminuirá se aumentar as velocidades e se forem utilizados sistemas de ar condicionado, por exemplo. O alcance cai ainda mais se a temperatura cair abaixo de zero, o que significa menor autonomia no inverno, o que é exacerbado pela maior dependência dos ventiladores, aquecedor e acessórios, como assentos aquecidos.

Embora a mudança para EVs seja vista como uma opção ecologicamente correta em relação aos ICEVs, de acordo com a European Public Health Alliance (EPHA), as melhorias na qualidade do ar devido à mudança para EVs não significam que a poluição não proveniente de exaustão deva ser ignorada [5]. A poluição por partículas de freios e pneus, por exemplo, deve ser reduzida em todos os veículos o mais rápido possível.

O desgaste dos pneus é responsável por até 50% das emissões de partículas no ar do transporte rodoviário e é um desafio significativo enfrentado pelos EVs mais do que os ICEVs existentes [3].

Os EVs têm mais peso em comparação com os ICEVs e precisam suportar alto torque instantâneo, causando mais desgaste. A regulamentação rigorosa das emissões de gases de escape pela UE

Revista Grafeno | setembro 2022 | 21

artigo

significa que os carros novos emitem muito pouca poluição por partículas, no entanto, a poluição do desgaste dos pneus não está atualmente regulamentada e pode ser potencialmente 1000 vezes pior, de acordo com os consultores de engenharia da Emissions Analytics [7].

Isolado pela primeira vez em 2004 por dois pesquisadores da Universidade de Manchester, o grafeno é uma rede hexagonal de átomos de carbono em uma camada de espessura de um único átomo - referido como um material bidimensional. O grafeno de camada única tem algumas propriedades muito impressionantes além do grafite “pai”, em particular, propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e ópticas excepcionais. O grafeno de camada dupla e de poucas camadas tem propriedades que medem nas mesmas faixas do grafeno de camada única, mas à medida que o número de camadas aumenta, essas propriedades tendem a reduzir significativamente. Hoje, temos toda uma família de grafeno e materiais em camadas relacionados à nossa disposição, com amplas propriedades que permitem substituir materiais convencionais ou desenvolver tecnologias completamente novas, que podem aliviar ou resolver alguns dos desafios atuais enfrentados pelos EVs. Embora as aplicações de grafeno para EVs sejam potencialmente vastas, conforme descrito na Fig. 1, neste relatório, estudos de caso selecionados de pesquisa, desenvolvimento e comercialização de aplicações baseadas em grafeno no setor automotivo foram destacados em três grandes áreas: • Compostos • Armazenamento e geração de energia • Sensores e conectividade Compósitos Leveza estrutural Os compósitos de polímero reforçado com fibra reforçada com grafeno (FRP - fibre reinforced polymer) são a solução para atender à necessidade de materiais leves de próxima geração inovadores e multifuncionais, especialmente para o setor automotivo. A ampla gama de possibilidades de combinações de grafeno e fibra/ polímero e a adaptabilidade de suas propriedades permitem que ele seja usado em uma ampla gama de aplicações automotivas.

Entre os compósitos de FRP, os compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP - carbon fibre reinforced polymer) devido à sua resistência excepcionalmente alta em relação ao peso e suas propriedades inerentes de absorção de energia [8,9] os tornam um candidato adequado para substituir vários componentes automotivos de metal. Um veículo de tamanho médio pode alcançar uma economia de peso médio de 37% a 45% ao empregar compostos CFRP [7], além disso, os compostos CFRP já estão sendo usados em vários componentes automotivos versáteis para aplicações estruturais e não estruturais, incluindo membros de chassi, interiores cosméticos, peças do motor, sistemas de freio, bancos e painéis da carroceria.

Com o sucesso do monocoque no carro elétrico de passageiros i3 da BMW, mais fabricantes estão buscando a rota do CFRP com benefícios para a fabricação, clientes e meio ambiente. Ao usar

22 | setembro 2022 | Revista Grafeno

um monocoque de CFRP, ele teve uma economia de peso geral de 250-350 kg do veículo geral, em comparação com o uso de materiais convencionais [11]. Cada economia de peso de ~45 kg resulta em uma redução de combustível de 2-3%, permitindo que o cliente se beneficie diretamente. As rodas híbridas compostas de carbono e alumínio lançadas pela BMW resultaram em ~7 kg de economia de peso e uma redução significativa nas massas não suspensas e rotativas [12].

Após a adição de grafeno na resina polimérica de CFRPs, as propriedades mecânicas podem ser aprimoradas ainda mais, aumentando a rigidez, a resistência ao cisalhamento interlaminar e o módulo. Isso pode permitir uma maior economia de peso devido às menores quantidades de material a serem necessárias para corresponder a uma condição específica. Um excelente exemplo disso é o carro esportivo Mono R Model da Briggs Automotive Company lançado em 2019, incorporando painéis de fibra de carbono aprimorados com grafeno em todos os painéis da carroceria, levando a economia de peso e alcançando aceleração de 0 a 100 km / h em 2,5 segundos [13]. Além do Mono R, a W Motors com sede nos Emirados Árabes Unidos lançou o Fenyr SuperSport, cujo exterior é feito à mão com compostos CFRP aprimorados com grafeno, tornando-os “ultra-leves para o melhor desempenho” [14].

Figura 2. Foto da Lotus Evija (topo), usada com permissão. Capô Lotus Evija de CFRP reforçado com grafeno produzido como parte do programa TDAP (abaixo).

artigo

A subsidiária da Versarien 2-DTech Ltd. (2DT) tem trabalhado extensivamente na área de CFRP aprimorado com grafeno para várias aplicações, muitas das quais podem ser aplicadas ao setor automotivo. A 2DT recebeu uma doação do Programa de Aceleração do Desenvolvedor de Tecnologia (TDAP - Technology Developer Accelerator Program) do Centro de Propulsão Avançado (APC - Advanced Propulsion Centre) em 2020 para desenvolver um componente inovador de baixo carbono que resultará na redução das emissões dos veículos. O projeto TDAP supervisionou o desenvolvimento de um componente automotivo de baixo peso e alta resistência que pode ser aplicado diretamente em várias áreas de qualquer veículo. A 2DT desenvolveu uma parceria com a Lotus Cars, o Centro de Pesquisa e Manufatura Avançada da Universidade de Sheffield (AMRC - Advanced Manufacturing and Research Centre) e outros parceiros da cadeia de suprimentos. O resultado do projeto é um conjunto de capô CFRP aprimorado com grafeno para o carro esportivo elétrico Lotus Evija (Fig. 2).

O CFRP aprimorado com grafeno no Lotus Evija Bonnet alcançou três objetivos principais: 1. Mecânico - melhora o desempenho mecânico em pelo menos 10% em comparação com o material pré-impregnado de base (material fibroso pré-impregnado com uma resina sintética específica) 2. Visual - Qualidade da superfície para atender às especificações de pintura da Lotus 3. Preço - Alcance uma redução de preço de 10% (aumento de 25%) Todos os três objetivos foram alcançados usando um processo de produção de prensa a quente com custos de capital mais baixos e tempo TAKT mais rápido que a autoclave. O desenvolvimento adicional continuará à medida que o 2DT e a Lotus otimizarem ainda mais o processo para uso em qualquer painel de carroceria. A Versarien tem vários outros projetos em andamento que contribuem para o desenvolvimento de CFRPs aprimorados para suportes estruturais convencionais, que podem fornecer uma alternativa inovadora para fabricantes automotivos, aeroespaciais e ferroviários.

Elastômeros de pneus O Santo Graal do desenvolvimento de pneus sempre foi manter o equilíbrio ideal entre resistência ao rolamento, resistência à abrasão e aderência em piso molhado, o chamado “triângulo mágico”. A interpretação prática por trás desses três pilares está relacionada à economia de combustível, vida útil e manuseio na estrada.

Cargas de reforço como negro de fumo e sílica têm sido amplamente empregadas como ingredientes primários de aprimoramento em formulações de borracha para adequar o desempenho para atender às demandas da indústria de pneus. No entanto, o uso de negro de fumo tornou-se um desafio devido à sua produção dependente de óleo e considerável emissão de gases de efeito estufa [15], enquanto a aplicação de sílica é limitada pela baixa compatibilidade com borrachas não polares e uma tendência a aglomerar

durante o processamento.

Recentemente, o grafeno tem sido visto como uma alternativa aos enchimentos tradicionais, aumentando o reforço no pneu com maior resistência geral e desempenho mecânico dinâmico que reduz a resistência ao rolamento, mantendo a aderência em piso molhado [16,17]. O grafeno também tem as vantagens de aumentar a resistência a trincas, desgaste e dissipação de calor dos elastômeros sob carregamento repetido, o que prolonga a vida útil do pneu [18-20].

O grafeno é usado em pneus de bicicleta pelo fabricante europeu Vittoria desde 2015; eles também anunciaram uma nova gama de pneus em 2019. Seus pneus Graphene 2.0 foram usados pelas equipes vencedoras na Vuelta a España e no Tour de France [21]. Isso foi logo seguido por um anúncio da Goodyear para lançar sua própria linha de pneus carregados de grafeno chamada Dynamic:GSR, relatando que a borracha é capaz de oferecer baixa resistência ao rolamento, melhor aderência em piso seco e molhado e durabilidade a longo prazo [22]. ]. Durante um estudo de desenvolvimento de 18 meses conduzido pela Gatomic, pneus com grafenos de engenharia de superfície foram testados em estradas reais no Reino Unido, concluindo um aumento de 30% na resistência ao desgaste em relação aos pneus de marcas concorrentes - equivalente a uma quilometragem adicional de 30% antes de ser necessário substituir o pneu [23].

A subsidiária da Versarien 2DT está atualmente trabalhando com pneus ENSO para explorar os benefícios da incorporação de grafeno nas formulações de pneus. Os resultados preliminares mostram que o grafeno da Versarien é duas vezes mais eficaz que a sílica no reforço de pneus, melhorando a elasticidade e a resistência ao rasgo. Essas melhorias permitem uma redução da massa do pneu devido ao uso de menos sílica. Além disso, existem teorias bem estabelecidas de que o fator de perda, Tan ẟ, da Aná-

Figura 3. Efeito do grafeno da Versarien no comportamento mecânico dinâmico de compostos de pneus

Revista Grafeno | setembro 2022 | 23

artigo

lise Mecânica Dinâmica (DMA – Dynamic Mechanical Analysis) a 60oC e 0oC é proporcional à perda de energia e pode ser indicativo para a estimativa de resistência ao rolamento e aderência em piso molhado, respectivamente [24,25]. A Fig. 3 demonstra que, ao adicionar o grafeno da Versarien, os pneus contribuirão para um menor consumo de energia e melhor manuseio na estrada através de um menor Tan ẟ a 60oC e um valor mais alto a 0oC. No geral, está oferecendo o desenvolvimento de pneus mais “verdes” e leves.

“Os pneus são um grande poluidor global, contribuindo enormemente para as emissões de carbono, poluição do ar, poluição por microplásticos oceânicos, toxicidade e montanhas de resíduos não recicláveis em fim de vida. O mercado de veículos elétricos em rápido crescimento também apresenta um desafio ainda maior para o nosso planeta, pois os veículos elétricos são mais pesados e têm maior torque, desgastando os pneus mais rapidamente e criando uma poluição ainda mais prejudicial dos pneus”.

Gunnlaugur Erlendsson, CEO ENSO

A Versarien está trabalhando em estreita colaboração com o ENSO para resolver isso, desenvolvendo melhores pneus EV, tornando-os mais eficientes em termos energéticos, duráveis e sustentáveis. Isso permitirá que o ENSO amplie o alcance dos veículos elétricos (reduzindo o CO2 da geração de eletricidade) e melhore a durabilidade dos pneus (melhorando a qualidade do ar e reduzindo a poluição por microplásticos oceânicos), incorporando de forma sustentável materiais de base biológica em vez de materiais de combustível fóssil (reduzindo ainda mais o impacto do CO2).

No entanto, abordar a questão da poluição dos pneus requer

Figura 4. Pneu ENSO ©, usado com permissão.

24 | setembro 2022 | Revista Grafeno

não apenas fabricar pneus melhores para VEs, mas uma mudança fundamental nos modelos de negócios subjacentes e nos incentivos financeiros da indústria de pneus, que está no centro da missão da ENSO. A ENSO está, portanto, procurando combinar seus melhores pneus EV com um melhor modelo de negócios ‘Direct-to-Consumer’, uma combinação circular única que já recebeu tração substancial com fabricantes de veículos elétricos e grandes frotas de veículos elétricos.

Gerenciamento térmico A geração de calor dentro de automóveis pode causar danos extensos a vários componentes mecânicos e elétricos se não for gerenciado corretamente. A grande maioria da geração de calor é perdida como emissões de energia desperdiçadas, contribuindo para reduzir a eficiência e aumentar a pegada de carbono. As baterias de íons de lítio sofrem muito com o autoaquecimento, reduzindo a vida útil e a confiabilidade da bateria. Desenvolvimentos para auxiliar no aumento dos métodos de transferência de calor que permitem o resfriamento dos componentes da bateria têm ressurgido o interesse com a incorporação de materiais de grafeno.

Testes mostraram que dissipadores de calor integrados com grafeno podem auxiliar a tecnologia de resfriamento e produzir uma distribuição de calor mais baixa e mais uniforme pelas células da bateria, resultando em um método de resfriamento leve mais eficiente [26]. Esse método não apenas aumenta a eficiência do resfriamento, mas também aumenta a eficiência da bateria. O calor gerado pela bateria e outras fontes também pode ser usado para aquecer efetivamente outros aspectos do carro, como a cabine interna e, mais importante, para EVs, áreas de aquecimento suscetíveis a ambientes de baixa temperatura.

A Hyundai e a Kia estão atualmente inovando nesta área de tecnologia [27]. O Hyundai Kona EV reduz apenas 10% da vida útil da bateria em condições de direção no inverno, em comparação com o Tesla Model 3 2020, que em seu teste viu uma queda na autonomia de 40% devido ao maior consumo da bateria. Recentemente, o Model Y da Tesla integrou um sistema de bomba de calor que move o calor, em vez de gerá-lo, em torno dos componentes do EV e da cabine interna. Isso, por sua vez, aumenta a autonomia que, de outra forma, seria reduzida pelas temperaturas ambientais externas [28]. O grafeno, quando aplicado a esse método de gerenciamento térmico, pode fornecer um impulso mais eficiente ao desempenho em relação aos materiais convencionais.

Além disso, pesquisadores da Universidade de Manchester descobriram uma maneira pela qual o grafeno pode converter 3-5% do calor do motor de um carro em eletricidade. O material compósito, composto por grafeno e óxido de titânio estrôncio, tem a capacidade de produzir corrente elétrica em uma ampla faixa de temperaturas, até a temperatura ambiente. A tecnologia termoelétrica usando grafeno pode fornecer um benefício significativo para as próximas gerações de veículos híbridos [29].

artigo

Ruído, vibração e aspereza (NVH – Noise, vibration and harshness) A poluição sonora de veículos, seja de ICEVs ou EVs, é uma grande fonte de preocupação ambiental em todas as grandes cidades. Esses poluentes sonoros podem induzir efeitos psicológicos adversos à saúde humana. Com um número cada vez maior de veículos nas estradas em todo o mundo, há pedidos de uma nova geração de amortecedores de ruído, vibração e aspereza (NVH) que podem combater os ruídos internos e externos gerados durante a condução. O veículo NVH pode criar uma percepção vital do cliente sobre a qualidade do produto, com conforto físico e acústico sendo um fator importante para a fabricação de componentes para atender a essa demanda. Há uma tendência crescente de re-visualizar produtos NVH para veículos elétricos e movidos a hidrogênio.

As fontes primárias de NVH veicular incluem o motor, a caixa de câmbio, os diferenciais e os modos de vibração estrutural dos sistemas de exaustão; as fontes secundárias de NVH incluem freios, acessórios elétricos e mecânicos [30].

Muitos desses fatores podem ser resolvidos com a aplicação de materiais isolantes NVH aprimorados com grafeno. Especificamente, os polímeros aprimorados com grafeno têm se mostrado um excelente material de absorção acústica que pode absorver em uma ampla faixa de frequência. O grafeno tem a capacidade única de absorver frequências que variam de 60 Hz a 6300 Hz [31]. Predominantemente, o ruído automotivo interno encon-

tra-se na faixa acústica de 100 a 600Hz, porém isso pode se estender para frequências de até 4000Hz [32], o que torna o grafeno um candidato ideal para cobrir todas as faixas acústicas para aplicações automotivas.

Uma ampla gama de estruturas de espuma de grafeno está em desenvolvimento mostrando absorção acústica aprimorada, incluindo poliuretano e melamina contendo grafeno [33,34].

Especificamente, espumas de melamina contendo grafeno mostraram absorver cerca de 60% mais ruído em frequências entre 128 Hz e 4000 Hz em comparação com espumas de melamina disponíveis comercialmente [2]. As estruturas de espuma são excelentes inibidores de NVH devido à estrutura porosa que permite espaços de ar para absorção de energia. A estrutura de lamelas na qual a energia NVH é absorvida resulta em maiores reflexões entre as folhas de grafeno, oferecendo potencial para propriedades de absorção aprimoradas, reduzindo assim a reverberação entre as estruturas de conexão. Um exemplo recente de espumas aprimoradas com grafeno foi comercializado pela Ford Motor Company, que já desenvolveu vários componentes do motor, incluindo bombas e tampas do motor contendo espumas de poliuretano aprimoradas com grafeno, melhorando o NVH em 17%. Existem agora mais de 12 componentes de espuma usados em todo o carro em várias linhas de veículos, incluindo o F-150 e o Mustang. A Ford planeja expandir o uso de espumas aprimoradas com grafeno em mais veículos no futuro [35,36].

Revista Grafeno | setembro 2022 | 25

artigo

Sistemas de armazenamento e geração de energia Os EVs abriram um grande número de oportunidades para tecnologias de armazenamento de energia (ES - energy storage), com novos e empolgantes desafios e requisitos. Entre os vários dispositivos ES, baterias e supercapacitores representam as duas principais tecnologias de armazenamento de energia eletroquímica, conforme ilustrado em um gráfico de densidade de energia em Wh/kg vs densidade de potência em W/kg conhecido como gráfico de Ragone (Fig. 5). O atual motor de combustão interna fornece alta densidade de energia (~1000 Wh/kg) e densidade de potência (~106 W/kg), enquanto as atuais baterias de íons de lítio (Li-ion) fornecem significativamente menos energia (~180 Wh/kg) e densidades de energia (~1000 vezes menos), portanto, o peso da bateria é tipicamente significativo. A bateria do Tesla Model S, por exemplo, pesa 544 kg ~24% da massa total do carro (2241 kg) [37].

Obviamente, há uma grande oportunidade a ser encontrada no desenvolvimento de sistemas ES com carregamento mais rápido, maior densidade de energia e leveza sendo as principais tendências automotivas. À medida que a mudança para a eletrificação se acelera, os pacotes ES são necessários em números cada vez maiores para fornecer não apenas carros, mas também uma ampla gama de outros veículos. O padrão atual nesta nova era EV ainda é a bateria Li-ion. Já uma tecnologia madura, ainda tem espaço para melhorias e com um mercado grande e crescente entre as aplicações, seu desenvolvimento continuará por algum tempo.

Baterias de íon de lítio A maioria das baterias de íons de lítio usa um eletrodo negativo (ânodo) feito principalmente de carbono na forma de grafite e um eletrodo positivo (cátodo). O eletrólito usado nas baterias de íons de lítio varia de acordo com a escolha dos materiais do eletrodo, mas normalmente é composto por uma mistura de sais de lítio (por exemplo, LiPF6) e um solvente orgânico (por exemplo, carbonato de dietil) para permitir a transferência de íons. Uma membrana de separação é usada para permitir que os íons de lítio passem entre os eletrodos, evitando um curto-circuito interno. As baterias de íon-lítio envolvem reações de inserção de ambos os eletrodos, onde os íons de lítio atuam como portadores de carga, mostrado na Fig. 6. Existem várias químicas de células diferentes que compõem a família de baterias de íon-lítio.

O grafeno pode desempenhar um papel fundamental na melhoria do desempenho da bateria de íons de lítio em vários níveis diferentes. Os fabricantes de baterias de íon-lítio estavam inicialmente relutantes em introduzir inovações potencialmente disruptivas, mas as demandas dos clientes por alcance cada vez maior, carregamento mais rápido e vida útil prolongada da bateria estão levando a uma maior disposição por parte dos OEMs de adotar a inovação. Algumas empresas, como a California Lithium Battery Inc., estão pressionando para comercializar o grafeno como substituto do grafite nos ânodos das baterias de íons de lítio [40]. A subsidiária da Versarien, Gnanomat (Espanha), está desenvolvendo construções de ânodo de silício-grafeno e estanho-

26 | setembro 2022 | Revista Grafeno

-grafeno (como um substituto para grafite) que oferece grandes oportunidades para melhorar a capacidade da bateria, condutividade elétrica e potência. Outra área em que o grafeno pode melhorar o desempenho da bateria de íons de lítio é a dissipação/ gerenciamento térmico, aproveitando a alta condutividade térmica do grafeno, conforme descrito anteriormente.

Geralmente, os cátodos são óxidos metálicos mistos - compostos de intercalação dos quais os íons Li+ podem se difundir para dentro ou para fora. Exemplos bem conhecidos de materiais utilizados incluem óxido de cobalto de lítio (LiCoO2), fosfato de ferro de lítio (LiFePO4), óxidos de manganês-cobalto de lítio (NMC) e óxido de manganês de lítio (LiMn2O4). Desenvolvida pela primeira vez pela Sony em 1991, a bateria LiCoO2 tem sido a bateria de escolha para a maioria dos eletrônicos pessoais (laptops, câmeras, tablets, etc.) devido à sua alta densidade de energia, longo ciclo de vida e facilidade de fabricação. No entanto, eles sofrem de baixa estabilidade térmica e devem ser monitorados durante a operação para garantir o uso seguro. A disponibilidade limitada de cobalto também torna mais caro e difícil ser uma opção viável para uso em VEs. Desenvolvimentos recentes das empresas britânicas Nyobolt e Echion Technologies em ânodos à base de nióbio oferecem uma oportunidade para carregamento ultrarrápido [41].

Baterias metal-arq As baterias de metal-ar são dispositivos ES que possuem excelentes propriedades de densidade de energia e são muito mais leves em comparação com as baterias de íons de lítio. Outra

Figura 5. Gráfico de Ragone ilustrando os desempenhos de potência específica versus energia específica para diferentes tecnologias de armazenamento de energia elétrica. Os tempos mostrados no gráfico são o tempo de descarga, obtido pela divisão da densidade de energia pela densidade de potência.

Reimpresso com permissão da ref. [38]. Direitos autorais © 2018, American Chemical Society.

artigo

grande vantagem é que os componentes não são apenas ecologicamente corretos, mas totalmente recicláveis no final da vida útil [42]. A estratégia de implementação percebida da tecnologia de baterias pós-íon-lítio é trabalhar em conjunto com outros sistemas ES quando os requisitos de energia e energia tornam as baterias de metal-ar mais apropriadas para a aplicação em questão. A Tesla tem algumas patentes nesta área de tecnologia que reivindicam a combinação de uma bateria de metal-ar e uma bateria de iões de lítio que podem resultar numa maior autonomia. Várias outras empresas, como Phinergy, MAL Research and Development Ltd. e Log9 Materials, também estão desenvolvendo baterias metal-ar para trazer essa tecnologia para o setor automotivo.

A nanotecnologia está idealmente posicionada para contribuir para o desenvolvimento de baterias metal-ar pela introdução de grafeno em diferentes componentes. Catalisadores de baterias metal-ar podem ser otimizados aproveitando a alta área de superfície específica do grafeno e a possibilidade de introduzir grupos funcionais ou nanopartículas catalíticas que, por sua vez, podem melhorar esse componente crítico do dispositivo. Onde espumas porosas foram usadas como cátodos em baterias de metal-ar, a aplicação de grafeno produziu uma eficiência de ida e volta de até 80% com uma tensão de descarga estável em 2,8 V e uma tensão de carga estável abaixo de 3,8 V por 20 ciclos [43]. Outros materiais relacionados ao grafeno, como a família de dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs), foram observados exibindo atividade eletrocatalítica muito alta para uso em baterias de lítio-ar [44].

Figura 6. Uma ilustração esquemática do princípio de funcionamento das baterias de íons de lítio baseadas no cátodo LixC6/Li1−xCoO2. Durante o processo de descarga, os íons de lítio são liberados de um ânodo de grafite litiado (LixC6) para um cátodo Li1-xCoO2 delitiado. Durante o processo de carregamento, a reação é inversa. Reproduzido da ref. [39]. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Baterias de íon de sódio O sódio é um dos metais mais abundantes e acessíveis do mundo que pode reduzir o custo das baterias. No entanto, um desafio significativo enfrentado é que os íons de sódio são maiores que os íons de lítio e têm interações complexas com o grafite, levando a uma (des)intercalação ruim. Recentemente, pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, apresentaram um conceito [45] que permite que as baterias de íons de sódio correspondam à capacidade das baterias de íons de lítio atuais. Usando um novo tipo de grafeno, eles empilharam folhas de grafeno especialmente projetadas com moléculas entre as camadas, como mostrado na Fig. 7. O novo material permite que os íons de sódio (em verde) armazenem energia com eficiência.

Supercapacitores Supercapacitores, ou ultracapacitores, são dispositivos ES que mantêm excelente entrada e saída de energia em mais de 100.000 ciclos de carga e descarga, mas à custa de menor densidade de energia em comparação com as baterias tradicionais. As baterias têm densidade de energia mais alta, mas com entrada e saída de energia mais baixas, elas se degradam mais rapidamente do que os capacitores, especialmente quando operam nos limites de seu envelope de desempenho. O perfil de desempenho diferencial e complementar dos supercapacitores em comparação com as baterias pode gerar grandes melhorias de desempenho quando ambos os dispositivos ES são usados em conjunto: para funções do veículo que exigem mais energia, a unidade de alimentação pode utilizar baterias e para outras tarefas (arranque, vidros elétricos, frenagem regenerativa, aceleração, etc.) podem aproveitar a maior capacidade de entrada/saída de energia fornecida pelos supercapacitores.

A implantação de supercapacitores no setor automotivo já é uma realidade e algumas empresas como a Toyota, utilizam supercapacitores para auxiliar na alimentação de veículos híbridos como o Toyota Prius C, onde os supercapacitores podem fornecer jorros de energia para funções como operação de vidros elétricos e aquecimento. 46]. Em 2012, a empresa Bombardier Transportation, com sede em Berlim, produziu o sistema de supercapacitor Mitra que é usado nos bondes de Mannheim, levando a infinitas possibilidades de uso em outros sistemas de transporte elétrico.

Em 2019, a Maxwell, líder mundial na área de supercapacitores, foi adquirida pela Tesla como parte de sua estratégia corporativa [47], reforçando o futuro promissor dos supercapacitores.

Anteriormente, a Volvo havia anunciado que estava trabalhando no desenvolvimento de painéis de carroceria aprimorados com nanotecnologia de carbono que também funcionam como supercapacitores para o armazenamento de energia elétrica [48].

Esse recurso provavelmente será de uso particular em PHEVs que exigem apenas baterias de tamanho modesto, mas lutam para encaixar um motor de combustão, tanque de combustível, bateria e transmissão elétrica no veículo. Mais recentemente, essa ideia foi levada adiante pela BMW e também pela Lamborghini, que atualmente trabalham com o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) [49].

Revista Grafeno | setembro 2022 | 27

artigo

A alta área de superfície específica do grafeno (2670 m2/g) e a condutividade eletrônica aprimorada (10 vezes mais condutora que o grafite), baixa densidade, flexibilidade e facilidade de processabilidade química o tornam um material ideal para eletrodos supercapacitores [50,51]. Uma empresa sediada em São Francisco lançou recentemente ultracapacitores “Powercell” de alta potência, capazes de gerar potência massiva e carregamento de 10 minutos, contendo uma combinação de grafeno e alumínio. Embora esta bateria seja mais cara que as baterias de íon-lítio, ela será capaz de um número muito maior de ciclos de funcionamento [52].

A Gnanomat também desenvolveu novos dispositivos ES de supercapacitor explorando nanomateriais avançados de grafeno nos eletrodos. Esses dispositivos oferecem excelente desempenho que, por sua vez, facilitará a penetração do grafeno no setor. Nos testes, os protótipos industriais, incluindo os compostos híbridos de nanopartículas de grafeno/óxido metálico da Gnanomat, apresentam melhorias notáveis na capacidade de armazenamento de energia, mais de 300% a mais quando comparados aos dispositivos padrão do mercado. Exemplos desses dispositivos são mostrados na Fig. 8. A Versarien está, portanto, bem posicionada para otimizar e abordar oportunidades industriais no campo de supercapacitores.

A Versarien está atualmente trabalhando com os principais parceiros Westfield Sports Cars, o Centre for Process Innovation Ltd (CPI) e outros recentemente receberam financiamento do Departamento de Transporte do Reino Unido (DfT) para o desenvolvimento da tecnologia de pseudocapacitor assimétrico e incluí-lo em um pacote para ser usado como um demonstrador de tecnologia para veículos do lado do porto de emissão zero.

A tecnologia de supercapacitor é de particular interesse para a indústria naval e de aviação, pois, diferentemente das baterias

de íons de lítio, há muito pouco risco de incêndio, algo que até agora atuou como um freio na adoção da tecnologia EV no setor.

Também é de interesse para a indústria de carros esportivos, onde a alta densidade de potência pode ser utilizada para eventos de aceleração e frenagem, estendendo o alcance e prolongando a vida útil da bateria, reduzindo o perfil de carga.

O projeto SUPPORTIVE será concluído em 2022 e, em seguida, espera-se passar para a produção em grande escala.

Células de combustível e armazenamento de hidrogênio As células de combustível são uma alternativa ES com muitas propriedades interessantes quando aplicadas a EVs. As células de combustível podem usar uma variedade de combustíveis diferentes, mas o combustível mais comumente usado é o hidrogênio.

O hidrogênio é um combustível extremamente denso em energia (120–140 MJ/kg), muito superior à gasolina (46,4 MJ/kg) [53].

O tempo de reabastecimento de um EV com hidrogênio comprimido é muito mais rápido do que carregar uma bateria. As únicas emissões de células de combustível de hidrogênio são vapor de água. Como tal, esta tecnologia pode ser considerada uma fonte de energia limpa e sustentável quando se utiliza o chamado “hidrogênio verde” (hidrogênio produzido a partir de energia renovável).

Devido à menor densidade de energia das células de combustível, elas são normalmente usadas em combinação com outros sistemas ES, mais comumente baterias de íons de lítio.

Em 2013, a Hyundai lançou o modelo Tucson, o primeiro FCEV. Em 2015, a Toyota começou com a comercialização do Mirai, seguida pela Honda com o Clarity em 2016. O Clarity FCEV oferecia capacidade para cinco pessoas, dois tanques de armazenamento de hidrogênio e pressão de compressão de hidro-

Figura 7. Intercalação de íons sódio em materiais à base de grafeno. Imagem de Marcus Folino e Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology

28 | setembro 2022 | Revista Grafeno

artigo

gênio de 70 MPa [54]. Embora não tenha se tornado uma tecnologia dominante, o nível de adoção ainda é baixo, os pesquisadores de mercado estão prevendo que o mercado cresça a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 11,23% [55]. Para converter hidrogênio em eletricidade, as células de combustível precisam de um catalisador. Normalmente, o catalisador é feito de nanopartículas de platina suportadas em uma estrutura de carbono amorfo. No entanto, esse arranjo não é apenas caro, mas também frágil e isso está dificultando o avanço das células a combustível.

Pesquisadores descobriram em testes de vida acelerada que, substituindo o carbono por grafeno, a vida da célula pode ser estendida em 30% [55].

De longe, o maior fator que retarda a implantação das células de combustível de hidrogênio é a falta de infraestrutura necessária para produzir, distribuir, armazenar e dispensar hidrogênio com segurança. O hidrogênio é uma molécula muito pequena e muito leve; para armazenar hidrogênio suficiente para ser útil, ele deve ser armazenado sob pressão muito alta. Além disso, o hidrogênio

é muito reativo e pode atacar vasos e tubulações de contenção de aço, tornando-os quebradiços.

O grafeno pode ajudar no armazenamento de hidrogênio de várias maneiras. Conforme descrito anteriormente, quando adicionado aos compostos de CFRP, o grafeno pode aumentar muito sua força, o que significa que novos tanques podem armazenar hidrogênio a pressões muito mais altas com mais segurança. Além disso, a morfologia e a alta proporção do grafeno podem ajudar a reduzir as taxas de vazamento dos tanques de armazenamento.

Além disso, quando incorporado em revestimentos de superfície, pode proteger o aço da degradação.

Ao funcionalizar o grafeno com metais, também pode ser possível armazenar hidrogênio dentro da estrutura atômica do próprio grafeno, liberando-o apenas quando necessário. Os chamados sistemas de armazenamento de “estado sólido” ainda estão em um baixo nível de prontidão para tecnologia (TRL - technology readiness level), mas há grandes esperanças de armazenar hidrogênio com segurança e eficácia em um futuro próximo [56].

Figura 8. Supercapacitores do tamanho de células de bolsa desenvolvidos reforçados com compostos de nanopartículas de grafeno/óxido metálico da Gnanomat

Revista Grafeno | setembro 2022 | 29

artigo

Células solares O uso de células solares em veículos, principalmente EVs, é uma tecnologia que está sendo explorada por diversos fabricantes de automóveis. A start-up alemã de veículos elétricos Sono está atualmente recebendo pré-encomendas para seu modelo Sion, que incorpora células solares na carroceria do carro. A Sono afirma que a integração da tecnologia de células solares pode adicionar até 5.800 km de autonomia elétrica por ano [57]. A Hyundai também está investigando as vantagens da energia solar e anunciou seu carro de marca de luxo: o modelo Lightyear One, que incorpora painéis solares no teto do carro, e deve começar a ser vendido no verão de 2022 [58].

Ao substituir os fios de malha na parte superior da célula por grafeno transparente altamente condutivo, a saída da célula pode ser maximizada para qualquer área de superfície. Atualmente, as células solares transparentes usam óxido de índio-estanho (ITO - indium tin oxide) como transportador de carga, mas isso não é apenas muito caro, também é muito frágil e pode ser facilmente danificado. Ao contrário das células solares domésticas rígidas montadas no teto, as células automotivas exigem uma certa flexibilidade para seguir as curvas da carroceria do veículo, acompanhadas de tolerância à vibração e níveis moderados de danos. O resistente, transparente e flexível grafeno é, portanto, um candidato ideal para substituir o ITO em aplicações automotivas.

Em testes de laboratório, as células solares de perovskita à base de grafeno já ultrapassaram 20,3% de eficiência [59]. As saídas previstas para a tecnologia de células de perovskita excedem as das células de silício tradicionais; ajustando o intervalo de banda dentro das células e empilhando-as uma em cima da outra, é teoricamente possível exceder o limite de Shockley-Queisser (o limite máximo de eficiência teórica de uma célula solar de junção única) e chegar a 40% de eficiência [60]. Tudo isso pode ser feito com células que utilizam grafeno que são flexíveis, mais simples, mais baratas de fabricar e têm uma pegada ambiental consideravelmente menor do que a tecnologia de silício existente [58].

Uma desvantagem das células solares é que elas não funcionam muito bem com mau tempo, no entanto, o grafeno oferece uma solução possível. Pesquisadores na China desenvolveram uma célula solar revestida de grafeno que aproveita as interações eletroquímicas com a chuva. Em testes de laboratório, essas células até agora produziram eficiências de 6,5% [61].

No geral, as células solares à base de grafeno podem resolver problemas com as células solares atualmente disponíveis e permitir o uso mais eficiente da energia solar, que é uma das fontes mais limpas de energia renovável.

Armazenamento em rede para carregamento de veículos elétricos Em Braintree, Essex, Reino Unido, a Gridserve construiu o primeiro pátio de carregamento de EV dedicado do mundo [62].

Com alguns EVs modernos agora capazes de carregar a taxas muito altas, é essencial posicionar a infraestrutura de carregamento perto de conexões de rede de alta potência para maximizar a

30 | setembro 2022 | Revista Grafeno

experiência de carregamento do cliente. No entanto, nos horários de pico, mesmo isso não é suficiente, então empresas como a Gridserve estão usando grandes bancos de baterias para complementar a conexão à rede. Já discutido anteriormente, sistemas ES com maior densidade de energia, capazes de carregar e descarregar mais rapidamente e com maior capacidade de ciclo [63] seriam bem-vindos. As tecnologias ES baseadas em grafeno também podem ser usadas para equilibrar a rede local e isso acelerará a transição para o futuro, onde a energia renovável desempenha um papel maior na alimentação de nossas casas e empresas, além de aumentar a viabilidade financeira de tais estações de carregamento [64].

Sensores e conectividade O objetivo final dos sistemas de direção autônoma é alcançar a autonomia do ‘Estágio 5’, onde nunca haveria necessidade de o motorista intervir e assumir o controle, com a possibilidade de alguns veículos não serem equipados com controles de motorista. Grandes avanços em eletrônica e software ocorreram nos últimos anos e a maioria dos veículos de ponta agora tem alguma forma de assistência avançada ao motorista. Uma coisa que está se tornando cada vez mais óbvia é que qualquer sistema é tão bom quanto seus sensores. Como um sistema de direção autônoma vê o mundo é fundamental para sua capacidade de funcionar.

Atualmente, os carros autônomos usam câmeras visíveis, mas em neblina densa, essas câmeras ainda são insuficientes. O Autovision Spearhead Project [65], parte do European Graphene Flagship, está desenvolvendo um novo sensor de imagem de alta resolução para veículos autônomos, que pode detectar obstáculos e curvatura da estrada mesmo em condições de condução extremas e difíceis.

Os atuais sistemas de monitoramento da pressão dos pneus (TPMS - tyre pressure monitoring systems) são limitados na largura de banda que podem transmitir (normalmente 1 mensagem a cada 60 segundos). Um novo tipo de sistema de monitoramento de pneus com grafeno impresso foi proposto [66] que pode não apenas monitorar e transmitir dados de pressão em tempo real, mas também medir o estresse dentro do pneu e ser autoalimentado.

A Precision Varionic International Ltd., Reino Unido, com financiamento da Comissão Europeia em 2017, desenvolveu potenciômetros baseados em grafeno (GrapheneSens) [67,68], usando tintas de grafeno para impressão em tela (com condutividade entre 100 a 1000 ohm/sq) para faixas resistivas termicamente curáveis. Esses revestimentos de grafeno permitiram uma vida útil da trilha superior a 10 milhões de ciclos usando apenas uma única camada de trilha e, com maior condutividade do grafeno, a espessura da camada resistiva da trilha pode ser reduzida abaixo de 30 μm (sem comprometer o desempenho de desgaste), permitindo o uso econômico do grafeno. O grafeno também ajudou a reduzir o ruído, levando a uma maior precisão e confiabilidade do sensor.

Outra aplicação onde o grafeno pode revolucionar os sensores automotivos são os sensores de campo magnético que são

artigo

essenciais para a medição sem contato do ângulo de rotação e velocidade angular do carro. Esses sensores precisam ser altamente precisos com boa usabilidade. Um sensor de efeito Hall baseado em grafeno foi desenvolvido pela Paragraf em 2017, que provou ter excelentes propriedades em relação a outros materiais convencionais, como silício, arseneto de gálio e antimonito de índio devido à sua alta mobilidade de portadores [69]. Com o potencial do grafeno para ser usado em uma variedade de sensores automotivos produzindo dados de maior precisão, um novo e excitante futuro de sensores de grafeno em automóveis aguarda, e com os veículos autônomos se tornando o futuro dos veículos, haverá um uso e inovação cada vez maiores de sensores baseados em grafeno.

Resumo e perspectivas futuras Este relatório destacou vários estudos de caso importantes em que o grafeno está permitindo a melhoria de componentes para o setor automotivo, com empresas multinacionais como a Ford sendo as primeiras a adotar o grafeno. Compósitos aprimorados com grafeno para leveza estrutural, pneus e aplicações NVH estão na vanguarda e liderando o caminho, com vários caminhos sendo explorados em tecnologias de armazenamento de energia e sensores.

O grafeno, sem dúvida, desempenhará um papel fundamental na próxima geração de veículos, sustentado por financiamento significativo do governo do Reino Unido e da Comissão Europeia.

Em toda a Europa, o projeto Graphene Flagship financiado pela CE de € 1 bilhão vê o setor automotivo como um setor chave para aplicações de grafeno e materiais relacionados. Três de seus onze projetos Spearhead se concentraram em aplicações automotivas. A concorrência de outras regiões aumentará, em particular da China, que está testemunhando o rápido desenvolvimento de sua indústria automotiva, e já é o segundo maior mercado de EV de passageiros do mundo depois da UE. O Reino Unido tem uma longa história de produção automotiva e agora com os centros de excelência mais conceituados do mundo para pesquisa de grafeno (National Graphene Institute, Cambridge Graphene Centre) e a capacidade de acelerar o desenvolvimento através do Graphene Engineering Innovation Centre (GEIC), há um caso sério a ser apresentado para projetos centrados no Reino Unido para construir sobre essas bases sólidas.

O Nissan LEAF, o primeiro EV sério e acessível do mundo produzido em massa, é fabricado há muito tempo em Sunderland e a empresa de fabricação de baterias British Volt está agora em fase de planejamento para construir a primeira gigafábrica de baterias do Reino Unido nas proximidades de Tynemouth. Esses e outros desenvolvimentos manterão o Reino Unido na vanguarda da indústria automotiva, desde que Herbert Austin fundou a Austin Motor Company em 1905.

Com todas essas vantagens mencionadas que o grafeno pode trazer, as melhorias para o setor automotivo podem ser vastas e as empresas que incorporam componentes aprimorados com grafeno para a próxima geração de veículos elétricos podem permitir que os fabricantes obtenham uma vantagem significativa sobre a concorrência.

Referências

[1] T. Wills, The UK’s Transition to Electric Vehicles.

[2] S. Kim, J. Lee, and C. Lee, Does Driving Range of Electric Vehicles Influence Electric Vehicle Adoption?, Sustainability 9, 1783 (2017).

[3] A. Kelly, 2019 National Travel Survey.

[4] Electric Vehicle Range - How Far Can I Drive in an EV?, https://www.rac.co.uk/drive/electric-cars/choosing/electric-vehicle-ra nge-how-far-can-i-drive-in-an-ev/.

[5] Electric Vehicles and Air Pollution:The Claims and the Facts, https://epha.org/electric-vehicles-and-air-pollution-the-claims-and-th e-facts/.

[6] The UK Electric Car Industry in 2021 & Beyond, https://uk.mer.eco/news/the-uk-electric-car-industry-in-2021-beyond/ [7] Pollution from Tyre Wear 1,000 Times Worse than Exhaust Emissions, https://www.emissionsanalytics.com/news/pollution-tyre-wear-worse -exhaust-emissions.

[8] M. Gautam, S. Sivakumar, A. Barnett, S. Barbour, S. L. Ogin, and P. Potluri, On the Behaviour of Flattened Tubular Bi-Axial and Tri-Axial Braided Composites in Tension, Compos. Struct. 261, 113325 (2021).

[9] G. Zhu, G. Sun, H. Yu, S. Li, and Q. Li, Energy Absorption of Metal, Composite and Metal/Composite Hybrid Structures under Oblique Crushing Loading, Int. J. Mech. Sci. 135, 458 (2018).

[10] A. Mascarin, T. Hannibal, A. Raghunathan, Z. Ivanic, and J. Francfort, Vehicle Lightweighting: 40% and 45% Weight Savings Analysis: Technical Cost Modeling for Vehicle Lightweighting, No. INL/EXT-14-33863, 2015.

[11] BMW I3: Cheap, Mass-Produced Carbon Fiber Cars Finally Come of Age, https://www.extremetech.com/extreme/162582-bmw-i3-will-bmws-n ew-ev-finally-be-the-breakthrough-for-carbon-fiber-cars.

[12] Every Gram Counts. M Carbon Compound Wheels for the BMW M4 GTS, https://www.bmw-m.com/en/topics/magazine-article-pool/every-gra m-counts.html.

[13] BAC Launches Graphene-Enhanced Carbon Fiber Intensive, https://www.compositesworld.com/news/bac-launches-graphene-enh anced-carbon-fiber-intensive-supercar.

[14] Fenyr Supersport, https://www.wmotors.ae/fenyr-supersport.html.

[15] G. V. Last and M. T. Schmick, Identification and Selection of Major Carbon Dioxide Stream Compositions, No. PNNL-20493, 1019211, 2011.

[16] Y. Lin, Y. Chen, Z. Zeng, J. Zhu, Y. Wei, F. Li, and L. Liu, Effect of ZnO Nanoparticles Doped Graphene on Static and Dynamic Mechanical Properties of Natural Rubber Composites, Compos. Part Appl. Sci. Manuf. 70, 35 (2015).

[17] D. G. Papageorgiou, I. A. Kinloch, and R. J. Young, Graphene/Elastomer Nanocomposites, Carbon 95, 460 (2015).

[18] Z. Liu, H. Zhang, S. Song, and Y. Zhang, Improving Thermal Conductivity of Styrene-Butadiene Rubber Composites by Incorporating Mesoporous Silica@solvothermal Reduced Graphene Oxide Hybrid Nanosheets with Low Graphene Content, Compos. Sci. Technol. 150, 174 (2017).

[19] X. Zhou, L. Wang, X. Cao, Q. Yin, and G. Weng, Crack Resistance Improvement of Rubber Blend by a Filler Network of Graphene, J. Appl.

Polym. Sci. 136, 47278 (2019).

[20] Y. Mao, S. Wen, Y. Chen, F. Zhang, P. Panine, T. W. Chan, L. Zhang, Y. Liang, and L. Liu, High Performance Graphene Oxide Based Rubber Composites, Sci. Rep. 3, 2508 (2013).

[21] Graphene:Vittoria’s Untiring Search for Increased Tyre Performance, https://www.cyclingnews.com/features/graphene-vittorias-untiring-se arch-for-increased-tyre-performance/.

[22] Goodyear Launches Competitively Priced, Easy to Fit Tubeless Tyres, https://www.swisscycles.com/goodyear-launches-competitively-priced -easy-to-fit-tubeless-tyres/.

[23] Graphene-Containing Tires Exhibits Good Performance, https://www.tiretechnologyinternational.com/news/new-tires-news/g

Revista Grafeno | setembro 2022 | 31

artigo

raphene-containing-tires-exhibit-good-performance.html.

[24] D. J. Schuring, The Rolling Loss of Pneumatic Tires, Rubber Chem.

Technol. 53, 600 (1980).

[25] M.-J. Wang, Role of Filler Networking in Dynamic Properties of Filled Rubber, Rubber Chem. Technol. 72, 430 (1999).

[26] Y. Liu, T. Thiringer, N. Wang, Y. Fu, H. Lu, and J. Liu, Graphene Based Thermal Management System for Battery Cooling in Electric Vehicles, in 2020 IEEE 8th Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC) (IEEE, Tønsberg, Vestfold, Norway, 2020), pp. 1–4.

[27] Hyunai and Kia Turn up EV Efficiency with New Heat Pump Technology, https://www.hyundai.news/eu/articles/press-releases/hyundai-and-ki a-turn-up-ev-efficiency-with-new-heat-pump-technology.html.

[28] Here’s How the Tesla Model Y’s Heat Pump Solves Range Issues in Colder Weather, https://www.topspeed.com/cars/here-s-how-the-tesla-model-y-s-heat -pump-solves-range-issues-in-colder-weather-ar188071.html.

[29] Graphene Drives Potential for the next Generation of Fuel-Efficient Cars, https://www.manchester.ac.uk/discover/news/graphene-drives-poten tial-for-the-next-generation-of-fuel-efficient-cars/.

[30] M. A. Panza, A Review of Experimental Techniques for NVH Analysis on a Commercial Vehicle, Energy Procedia 82, 1017 (2015).

[31] B. Lu, L. Lv, H. Yang, J. Gao, T. Xu, G. Sun, X. Jin, C. Shao, L. Qu, and J. Yang, High Performance Broadband Acoustic Absorption and Sound Sensing of a Bubbled Graphene Monolith, J. Mater. Chem. A 7, 11423 (2019).

[32] R. M. Monaragala, 11 - Knitted Structures for Sound Absorption, in Advances in Knitting Technology, edited by K. F. Au (Woodhead Publishing, 2011), pp. 262–286.

[33] M. J. Nine, M. Ayub, A. C. Zander, D. N. H. Tran, B. S. Cazzolato, and D. Losic, Graphene Oxide‐Based Lamella Network for Enhanced Sound Absorption, Adv. Funct. Mater. 27, 1703820 (2017).

[34] J. Lee and I. Jung, Tuning Sound Absorbing Properties of Open Cell Polyurethane Foam by Impregnating Graphene Oxide, Appl. Acoust.

151, 10 (2019).

[35] CPI Announces Finalists for 2021 Polyurethane Innovation Award, https://www.americanchemistry.com/chemistry-in-america/news-tren ds/press-release/2021/cpi-announces-finalists-for-2021-polyurethaneinnovationaward.

[36] Ford to Integrate Graphene-Enhanced Parts into Its Vehicles, https://www.compositesworld.com/articles/ford-to-integrate-graphen e-enhanced-parts-into-its-vehicles.

[37] How Much Do Electric Cars Weigh (with 10 Examples), https://www.easyelectriccars.com/how-much-do-electric-cars-weighwith10-examples/.

[38] Y. Shao, M. F. El-Kady, J. Sun, Y. Li, Q. Zhang, M. Zhu, H. Wang, B. Dunn, and R. B. Kaner, Design and Mechanisms of Asymmetric Supercapacitors, Chem. Rev. (2018).

[39] T. Chen, Y. Jin, H. Lv, A. Yang, M. Liu, B. Chen, Y. Xie, and Q. Chen, Applications of Lithium-Ion Batteries in Grid-Scale Energy Storage Systems, Trans. Tianjin Univ. 26, 208 (2020).

[40] California Lithium Battery (CLB) Addresses This Fundamental Challenge with a New Disruptive Technology: A Silicon-Graphene (SiGr) Composite Anode Material, https://clbattery.com/the-calbattery-solution/.

[41] Niobium-Based Battery Start-up Nyobolt Opens US Office, https://www.greencarcongress.com/2021/04/20210421-nyobolt.html.

[42] Y. Li and J. Lu, Metal–Air Batteries: Will They Be the Future Electrochemical Energy Storage Device of Choice?, ACS Energy Lett. 2, 1370 (2017).

[43] W. Zhang, J. Zhu, H. Ang, Y. Zeng, N. Xiao, Y. Gao, W. Liu, H. H. Hng, and Q. Yan, Binder-Free Graphene Foams for O2 Electrodes of Li–O2 Batteries, Nanoscale 5, 9651 (2013).

[44] L. Majidi, P. Yasaei, R. E. Warburton, S. Fuladi, J. Cavin, X. Hu, Z. Hemmat, S. B. Cho, P. Abbasi, M. Vörös, L. Cheng, B. Sayahpour, I. L.

32 | setembro 2022 | Revista Grafeno

Bolotin, P. Zapol, J. Greeley, R. F. Klie, R. Mishra, F. Khalili‐Araghi, L. A. Curtiss, and A. Salehi‐Khojin, New Class of Electrocatalysts Based on 2D Transition Metal Dichalcogenides in Ionic Liquid, Adv. Mater. 31, 1804453 (2019).

[45] J. Sun, M. Sadd, P. Edenborg, H. Grönbeck, P. H. Thiesen, Z. Xia, V. Quintano, R. Qiu, A. Matic, and V. Palermo, Real-Time Imaging of Na+ Reversible Intercalation in “Janus” Graphene Stacks for Battery Applications, Sci. Adv. 7, eabf0812 (2021).

[46] P. Ball and Y. Gogotsi, A Capacity for Change, MRS Bull. 37, 1000 (2012).

[47] Tesla Is Integrating Maxwell’s Ultracapacitor Business, but Will It End up in Its Cars?, https://electrek.co/2019/10/07/tesla-maxwell-ultracapacitor-business/.

[48] Tomorrow’s Volvo Car: Body Panels Serve as the Car Battery, https://www.media.volvocars.com/global/en-gb/media/pressreleases/ 35026.

[49] MIT Researchers Collaborate with Lamborghini to Develop an Electric Car of the Future, https://news.mit.edu/2017/mit-and-lamborghini-developing-terzo-mil lenio-electric-car-of-the-future-1117.

[50] P. Simon and Y. Gogotsi, Capacitive Energy Storage in Nanostructured Carbon–Electrolyte Systems, Acc. Chem. Res. 46, 1094 (2013).

[51] R. Raccichini, A. Varzi, S. Passerini, and B. Scrosati, The Role of Graphene for Electrochemical Energy Storage, Nat. Mater. 14, 271 (2015).

[52] Aura Aerospace Pitches Powercell Ultracapacitor Powertrains for EVTOL, https://newatlas.com/aircraft/aura-aerospace-powercell-evtol-ultraca pacitor-hybrid/.

[53] Heat Values of Various Fuels, https://www.world-nuclear.org/information-library/facts-and-figures/ heat-values-of-various-fuels.aspx.

[54] FCVs Are the Ultimate Clean Cars Emitting Only Water, https://global.honda/innovation/FuelCell/Clarity-Fuel-Cell-picturebook .html.

[55] Global Hydrogen Fuel Cell Vehicle Market 2020 to 2025 by Technology and Vehicle, https://www.globenewswire.com/news-release/2021/01/13/2157737 /0/en/Global-Hydrogen-Fuel-Cell-Vehicle-Market-2020-to-2025-by-Tec hnology-and-Vehicle.

[56] Graphene Shows Support for Fuel Cell Catalysts, https://www.world-nuclear.org/information-library/facts-and-figures/ heat-values-of-various-fuels.aspx.

[57] Park & Shine: Park the Sion in the Sun and Charge Free Solar Energy, https://sonomotors.com/en/blog/park-the-sion-in-the-sun-and-charge -free-solar-energy/.

[58] Lightyear One. Designed for Independence, https://lightyear.one/lightyear-one.

[59] T. Mahmoudi, Y. Wang, and Y.-B. Hahn, Graphene and Its Derivatives for Solar Cells Application, Nano Energy 47, 51 (2018).

[60] Targeting 37% Efficient Perovskite Solar Cells, https://www.printedelectronicsworld.com/articles/15500/targeting-3 7-efficient-perovskite-solar-cells.

[61] Graphene Layer Could Allow Solar Cells to Generate Power When It Rains, https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160406075516.htm.

[62] Braintree Electric Forecourt, https://www.gridserve.com/braintree-overview/.

[63] GAC Group Announces That Its Aion V, Sporting a Graphene Battery, Will Start Production in September 2021, https://www.graphene-info.com/gac-group-announces-its-aion-v-spor ting-graphene-battery-will-start-production.

[64] Giant Tesla Batteries Help Balance UK’s Electricity Grid for the First Time, https://www.energylivenews.com/2020/09/21/giant-tesla-batteries-h

artigo

elp-balance-uks-electricity-grid-for-the-first-time/.

[65] Autovision: Graphene Collision Avoidance System for Autonomous Vehicles, https://graphene-flagship.eu/innovation/spearheads/c3-sh08-autovisi on/.

[66] D. Maurya, S. Khaleghian, R. Sriramdas, P. Kumar, R. A. Kishore, M. G. Kang, V. Kumar, H.-C. Song, S.-Y. Lee, Y. Yan, J.-M. Park, S. Taheri, and S. Priya, 3D Printed Graphene-Based Self-Powered Strain Sensors for Smart Tires in Autonomous Vehicles, Nat. Commun. 11, 5392 (2020).

[67] Graphene Sens - a Graphene Based Sensors Technology, http://sensegraphene.com/.

[68] Development of Graphene Based Contact Position Sensors, https://cordis.europa.eu/project/id/762394/reporting.

[69] Advanced Graphene-Based Hall Effect Sensor for Mapping of Battery Cells, https://www.paragraf.com/news/advanced-graphene-based-hall-effec t-sensor-for-mapping-of-battery-cells/.

Glossário 2DT 2-DTech Ltd. AMRC Advanced Manufacturing and Research Centre APC Advanced Propulsion Centre BEV Battery electric vehicles CAGR Compound annual growth rate CCC Climate Change Committee CFRP Carbon fibre reinforced polymer CPI Centre for Process Innovation Ltd. DfT Department for Transport DMA Dynamic mechanical analysis EC European Commission EPHA European Public Health Alliance ES Energy storage EU European Union EV Electric vehicle FCEV Fuel cell electric vehicle FRP Fibre reinforced polymer GEIC Graphene Engineering Innovation Centre HEV Hybrid electric vehicle HGV Heavy-goods vehicle ICEV Internal combustion engine vehicle ITO Indium tin oxide Li-ion Lithium-ion NMC Nickel manganese cobalt oxides NVH Noise, vibration and harshness OEM Original equipment manufacturer PHEV Plug-in hybrid electric vehicle TDAP Technology Developer Accelerator Program TMDC Transition metal dichalcogenide TPMS Tyre pressure monitoring system TRL Technology readiness level Reconhecimentos A Versarien gostaria de agradecer à Lotus Cars pelo uso de imagens e à Enso Tires Ltd. por sua contribuição para este artigo.

Isenção de responsabilidade A Versarien disponibilizou este relatório para estimular a discussão e comentários sobre o surgimento do grafeno em aplicações automotivas. A Versarien acredita que o conteúdo deste relatório está correto na data em que foi escrito e destina-se apenas a fins informativos. Quaisquer declarações, reivindicações e pontos de vista expressos por uma entrada ou por terceiros contidos neste relatório são exclusivamente da parte que faz tal declaração ou reivindicação, ou expressa tal opinião, e não são atribuíveis à Versarien. Todas as declarações neste relatório (exceto declarações de fatos históricos) que abordam desenvolvimentos futuros do mercado, ações e eventos governamentais podem ser consideradas “declarações prospectivas”.

Stephen Hodge, Jim Barnett, Andrew Whitehead, Paul Denney, Les Bell, Suhao Li, John Benson, Mayank Gautam, Pei Yang, Jorge Valle, Roberto Clemente, Neill Ricketts

A revista Industrial Heating é disponibilizada gratuitamente na área de PUBLICAÇÕES no site Portal Aquecimento Industrial, junto dos Artigos e Colunas mais relevantes sobre a indústria n o Brasil e no mundo.

ACESSE

E CONFIRA ÀS PUBLICAÇÕES

aquecimentoindustrial.com.br/publicacoes/

Revista Grafeno | setembro 2022 | 33

artigo

CENTRO DE INOVAÇÃO E TECNOLOGIA SENAI, CIT SENAI – ONDE O FUTURO DA INDÚSTRIA SE FAZ PRESENTE AGORA por SENAI

O

Centro de Inovação e Tecnologia SENAI, CIT SENAI, é uma unidade SENAI composta por um conjunto de Institutos de Inovação e Institutos de Tecnologia focados na competitividade industrial. Na prática, é um motor científico de classe mundial.

Missão e Visão: Promover a Indústria Mineira em sintonia com os interesses da sociedade, estimulando os valores da livre iniciativa e empreendorismo.

Criado em 2011 a partir do Centro Tecnológico de Minas Gerais, CETEC, uma fundação pública estadual, o CIT SENAI herda o histórico de desenvolvimento de pesquisa voltada à indústria.

O Centro também nasce com o desafio de ampliar o atendimento industrial tanto em Minas quanto no Brasil e assume o compromisso de desenvolver a inovação e tecnologia de ponta em parceria com universidades e outros centros de pesquisa nacionais e internacionais.

O CIT SENAI participa da Rede Nacional de Institutos SENAi de Inovação e de Tecnologia, voltados para a tecnologia industrial básica e pesquisa, desenvolvimento e inovação com foco total no apoio às demandas da Indústria brasileira. Os institutos estão divididos em duas categorias: Institutos SENAI de Inovação – ISI (Metalurgia e Ligas Especiais, Processamento Mineral e Engenharia de Superfícies) e Institutos SENAI de Tecnologia – IST (IST Meio Ambiente, Química, Automotivo, Alimentos e Bebidas e Metalmecânica).

A implantação dos Institutos contou com financiamento do BNDES. Periodicamente, o SENAI Nacional e o Instituto Fraunhofer, da Alemanha, apoiam a gestão estratégica dos Institutos, os quais são focados na excelência de gestão de seus contratos e convênios com indústrias de diferentes setores da economia.

Estamos localizados no bairro do Horto Florestal em Belo Horizonte, Minas Gerais. Nosso campus de 121 mil m2 possui uma área construída de 39mil m2 voltada para prestação de serviços tecnológicos e para o desenvolvimento de inovações para atendimento à Industria Mineira e Nacional.

34 | setembro 2022 | Revista Grafeno

A equipe técnica do CIT SENAI conta hoje com mais de 320 colaboradores, entre doutores(as), mestres(as), graduados(a)s, engenheiros(as) e técnicos(as), além do apoio administrativo, equipe de manutenção e PMO. O CIT SENAI sempre atuou fortemente para atender as demandas dos clientes, seja no desenvolvimento de novos produtos, processos e tecnologias, seja na melhoria ou adaptação de produtos e processos existentes, sempre com foco no ganho de eficiência, redução de custos e ganhos ambientais. Nos últimos 5 anos foram realizados 155 projetos de PDI nos 8 institutos e atualmente temos mais de 40 em execução.

Em 2017 foi assinado o termo de cooperação para a criação da Unidade Embrapii de Ligas Especiais, cujo objetivo é o desenvolvimento ou aperfeiçoamento de ligas metálicas, visando melhoria de suas propriedades mecânicas, à corrosão, à fadiga, à soldabilidade, etc., dentro de parâmetros demandados pelas indústrias.

Está alinhada às necessidades dos setores siderúrgico e de ligas não ferrosas em atender aos segmentos estratégicos de óleo e gás, metalomecânico, construção civil, automotivo, naval, aeroespacial, de energia, entre outros.

Em 2020 foi firmada a parceria a ArcelorMittal Brasil S.A. com propósito de criar e manter um núcleo ArcelorMittal, denominado Centro de Inovação ArcelorMittal para Indústria – CIAMI, sediado no campus do CIT Senai, com objetivo de promover interações sinérgicas entre as equipes das instituições, viabilizar e acelerar o desenvolvimento de soluções na cadeia de tecnologia do aço através de projetos de PD&I, serviços tecnológicos, consultoria e capacitações.

Desde 2020 houve um aumento significativo de demanda por projetos tendo o grafeno como base ou como um dos atores principais, seja para o desenvolvimento de novos materiais ou para a criação de propriedades especiais a materiais e produtos já existentes, além da melhoria de processos. Uma das consequências disso foi nossa entrada na Rede EMBRAPII/MCTI de Inovação em Grafeno. A proposta é incentivar pesquisa e desenvolvimento de aplicações industriais para o material no país, que promete revolucionar o processo industrial e o modelo de negócio hoje existente.

artigo

A estratégia para aumentar a competitividade da industrial nacional prevê aproximar as Unidades EMBRAPII (centros de pesquisas credenciados) de grafeno às demandas do setor empresarial pela tecnologia. E desde de 2022 fazemos parte de uma rede entre Institutos Senai de Inovação para a produção de Derivados de Carbono, visando a validação de novas tecnologias.

Para as grandes, médias e pequenas empresas, o CIT SENAI oferece soluções tecnológicas capazes de transformar negócios em importantes conquistas. É o conhecimento a inovação e a tecnologias de ponta a serviços do desenvolvimento da indústria e da sociedade.

CIT SENAI: Onde o Futuro da Industria se Faz presente agora.

Figura 1. Foto da fachada do prédio principal do CIT SENAI e Foto aérea

Revista Grafeno | setembro 2022 | 35

artigo

B’ENERGY RACING TEAM por Luiz Henrique Aguiar Campos, Maria Angélica Pires Yokota e Sabrina Hikari Yamauti

A

equipe B’Energy Racing já representa o Centro Universitário Facens na competição de Formula SAE Elétrico há 10 anos, sendo uma das primeiras equipes do país. A competição da categoria elétrico já é um grande desafio para os estudantes que aplicam todos seus conhecimentos de Engenharia na construção de um Formula Elétrico, testando os limites do veículo em provas

Figura 1. Carro B19 H2 e equipe na competição 2022.

36 | setembro 2022 | Revista Grafeno

Estáticas e Dinâmicas, além de apresentar todo o projeto para Juízes que trabalham no segmento automotivo há anos e possuem conhecimentos incríveis para discutir modificações e melhorias no veículo que acabam sendo implementadas no ano seguinte.

Este ano, a equipe também participou de uma nova categoria da competição: o Ballard Student H2 Challange. Esse desafio surgiu

artigo

em 2020 em uma iniciativa pioneira entre a SAE Brasil e a Ballard Power Systems, cujo objetivo principal era capacitar estudantes de Engenharia de todo o Brasil na construção de veículos híbridos movidos a hidrogênio. Assim, em 2020, o desafio iniciou-se com doze universidades de todo o país inscritas no mesmo. A primeira etapa do desafio foi a realização de inúmeros cursos preparatórios para que houvesse um nivelamento do nível de conhecimento entre as faculdades possibilitando uma competição mais justa e acirrada.

No caso, os cursos envolviam temas relacionados à tecnologia de célula a combustível, veículos híbridos, stack de célula de combustível da Ballard, sistemas de segurança ao se trabalhar com hidrogênio, entre outros. Vale-se ressaltar também que inicialmente desafio foi feito de forma remota, visto o cenário pandêmico no qual o mundo se encontrava na época, porém, essa situação adversa não impediu os desenvolvimentos de acontecer, muito pelo contrário: a falta das competições presenciais foi, justamente, o que fomentou a vontade dos alunos de competir nessa nova categoria.

Após a realização dos cursos virtuais, cerca de 170 alunos foram capacitados a fim de seguir para próxima etapa: a concepção de um produto. No caso, o objetivo das equipes era realizar a transformação de um veículo BAJA ou Fórmula para um veículo híbrido movido a hidrogênio. O resultado dessa etapa foi baseado em um relatório técnico que abordava as seguintes informações sobre o desenvolvimento do produto: Technical and Financial Aspects, General Aspects,

Figura 2. Testes em bancada com a Fuel Cell.

Design Presentation e Shape Design. Para avaliação deste relatório, foram levados em consideração toda a solução criada pelas equipes, somando uma pontuação final de até 1000 pontos. Durante essa etapa, a equipe B’Energy Racing ficou em 7º lugar. Após essa etapa, as oito primeiras universidades classificadas iriam receber os seguintes produtos para realização da transformação do veículo na vida real: uma célula a combustível (Ballard), um cilindro de hidrogênio (Airproducts), uma licença de simulação (Siemens), um motor elétrico (SEG) e um inversor (WEG). Assim, o principal objetivo de todas as equipes participantes era possuir o protótipo de um veículo híbrido até a competição presencial deste ano, realizada dos dias 11 a 14 de agosto.

Para a construção do nosso protótipo movido a hidrogênio, foi utilizado como base o B19, o protótipo elétrico que conseguiu o segundo lugar na colocação geral da competição de 2019, última competição presencial realizada até então. Utilizando-o como base, o principal desafio de sua transformação para um veículo híbrido foi, sem dúvidas, o Powertrain, visto que, para a utilização de um sistema com hidrogênio, eram necessários inúmeros testes e validações de segurança para evitar que houvesse algum vazamento e algum acidente grave acontecesse. Assim, foram iniciadas as experimentações e testes em bancadas com o objetivo de validar todas as simulações e sistemas que foram construídos de forma virtual durante o desafio.

Como dito anteriormente, havia a necessidade de realizar diversas validações para ter a certeza de que o sistema de hidrogênio estava funcionando. No caso, o sistema de alimentação de hidrogênio desenvolvido pela equipe contava com uma válvula Shut-off, uma válvula para regular a pressão, uma válvula de alívio, duas válvulas de controle e as mangueiras de alta e baixa pressão. Assim, a alimentação de hidrogênio do sistema funcionava da seguinte maneira: após o hidrogênio ser liberado do cilindro (manualmente), o gás entraria em uma mangueira de alta pressão que teria a válvula de Shut-off como outra etapa de segurança. Após a válvula ser aberta (manualmente), o gás que, até então, estaria em uma pressão de cerca de 100 bar, passaria pela válvula reguladora de pressão que foi calibrada à uma pressão de 0.36 bar (pressão ideal para o funcionamento da célula de combustível da Ballard). Após essa etapa, uma mangueira, dessa vez de baixa pressão, se conectaria com uma válvula de alívio (mais uma etapa de segurança do sistema) e, então, com uma válvula de controle. Essa primeira válvula de controle é digital e seu funcionamento é idêntico a um interruptor: quando a válvula estiver aberta, o gás hidrogênio irá passar pela célula de combustível e, quando fechado, não irá passar.

Após a entrada de hidrogênio na célula de combustível, a mesma, em conjunto com uma fan que funciona tanto para fornecer O² para reação da célula, quanto para regular a temperatura de funcionamento da célula, gera energia. Essa energia não é utilizada para alimentar o motor em si, mas sim para realizar a recarga da bateria, ou seja: o sistema de hidrogênio é um regenerador da bateria utilizada para alimentar o sistema (48V). Visto que a energia gerada da célula de combustível é instável, há a necessidade de utilizar um circuito de Step-up, cujo objetivo é colocar a tensão fornecida pela célula de combustível em 48V, de forma que a mesma consiga operar em conjunto com a bateria e com o motor. O motor utilizado é da

Revista Grafeno | setembro 2022 | 37

artigo

Figura 3. Membros da equipe durante a premiação.

linha BRM 48V da SEG e todo seu controle foi realizado utilizando protocolo CAN. Todo controle do sistema foi feito utilizando um STM32 Discovery que controlava, não só o motor, como todos os sensores do sistema (APPS, Termopar, sensor de corrente, entre outros), além das válvulas de controle do sistema de hidrogênio. Para o funcionamento do sistema, foi utilizado o conceito de Máquina de Estado para garantir que todos os componentes estivessem prontos para utilização, uma vez que a inicialização e o funcionamento da célula envolve uma série de etapas: Warm-Up, Start-Up, Run, Shutdwon e Alarm State. Todo esse sistema descrito acima foi validado em laboratório, porém, a implementação final no veículo não foi realizada.

Ainda assim, a equipe ficou muito satisfeita com os resultados obtidos, especialmente no sistema de controle, visto que estava funcionando exatamente como o esperado. Assim, com o sistema validado, a equipe foi para competição FSAE 2022, com o objetivo, não só de competir, como também de aprender muito com outras equipes e juízes. O objetivo da competição presencial, diferentemente das outras categorias da competição, era a apresentação do sistema criado e, se possível, uma prova de Enduro reduzida, onde o veículo hibrido iria dar algumas voltas em um trecho da pista. Das 8 equipes que foram para competição, somente uma conseguiu andar com o veículo

38 | setembro 2022 | Revista Grafeno

híbrido, a BAJA Unicamp, cujo carro foi o primeiro BAJA híbrido do mundo, um resultado fantástico! Ainda assim, sem o carro finalizado, a equipe B’Energy Racing conseguiu a 4º colocação na competição geral, subindo 3 posições desde a competição virtual. Assim, com muito conhecimento adquirido, a equipe já começou a organização e os desenvolvimentos com foco na competição de 2023 e um claro objetivo: ser a primeira equipe com um Formula híbrido.

Luiz Henrique Aguiar Campos é estudante de Engenharia de Computação e participante da equipe B’Energy Racing desde 2021. Atualmente atua como Engenheiro de Dados na Data Science Brigade.

Maria Angélica Pires Yokota é estudante de Engenharia Mecatrônica e participante da equipe B’Energy Racing desde 2019. Atua como Analista de Engenharia de Produto, com foco no desenvolvimento de Drivetrain para veículos pesados e em Eletrificação.

Sabrina Hikari Yamauti é estudante de Engenharia Mecatrônica e participante da equipe B’Energy Racing desde 2020. Atua como estagiária na Toyota, com foco em Planejamento de controle e Logística de Planta.

artigo

POTENCIALIDADES DE ESTRUTURAS DE GRAFENO E SEUS DERIVADOS PARA APLICAÇÕES EM SISTEMAS DE TRATAMENTOS DE ÁGUAS por Robson P. Almeida e Jairo J. Pedrotti

O

Introdução acesso a água potável é um direito reconhecido pela Assembleia Geral da Organização das Nações Unidas (ONU) em 28 de julho de 2010 para sustentar a vida e assegurar saúde e o bem-estar das pessoas [1]. Em 2021 o programa de monitoramento de fornecimento de água e saneamento da Organização das Nações Unidas constatou que 29,5% da população mundial vive com escassez de água, dos quais 733 milhões de pessoas (10,5% da população) vivem em países com severa limitação de acesso a água para consumo[2]. Entre os diversos fatores que contribuem para esta situação destacam-se o rápido crescimento da população mundial, a crescente demanda de energia, o crescimento urbano, a contaminação de recursos hídricos naturais e as mudanças climáticas. A limitação ao acesso à água limpa não é um problema que atinge somente regiões de países pobres ou em desenvolvimento. Neste ano, países da Europa sofrem com intensas ondas de calor e com uma severa estiagem que já ultrapassa os níveis observados em 2018, considerada até então o pior evento dos últimos 500 anos na região. A disponibilidade de água doce disponível no mundo permanece inalterada desde os tempos da Roma antiga.

Aproximadamente 80% da água doce disponível no mundo

é utilizada na agricultura, pecuária, aplicações de energia e atividade industrial [3], limitando os recursos hídricos para produção de água para consumo humano. Na indústria automobilística, por exemplo, o consumo médio de água empregado na produção de um veículo situa-se em torno de 4.000 litros.

Este volume corresponde ao consumo de água de uma pessoa durante 30 dias para atender as suas necessidades básicas de higiene e alimentação.

A contaminação das águas e, em particular, a poluição de rios e lagos deteriora a qualidade de fontes de matéria-prima para produção de águas de abastecimento, demanda mais etapas no tratamento da água bruta e eleva o custo de produção da água limpa. Embora haja algumas alternativas para mitigar o problema da escassez de água como o uso econômico e o reuso, especialmente para os grandes consumidores envolvidos com a atividade agrícola, plantas industriais e sítios de recreação, fontes alternativas de água doce são necessárias para atender a sua crescente necessidade.

Dentro deste contexto, a dessalinização de água do mar ou de águas salobras é uma alternativa muito atraente devido à abundância desta matéria-prima - quase 98% da água na Terra é salina.

Técnica de dessalinização

Consumo energético (KWh/m3 de água)

Destilação de múltiplos estágios

10 - 58

Osmose reversa Tabela 1. Consumo energético das principais técnicas de dessalinização de águas [4].

2-6

Eletrodiálise

0,4 - 8,7

Desionização capacitiva

0,1 - 2,0

Revista Grafeno | setembro 2022 | 39

artigo

Figura 1. Artigos relacionados ao assunto “desionização capacitiva” entre 2002 e 2022 (A) e número de artigos que utilizam NTC e ou estruturas de grafeno para aplicações em sistemas DIC (B).

Diferentes técnicas têm sido utilizadas na produção de água para consumo a partir da água do mar ou de águas salobras, entre elas destacam-se a osmose reversa, destilação em múltiplos estágios, nanofiltração e eletrodiálise. Muitas destas técnicas demandam elevada pressão, tem custo energético e operacional relativamente elevado. Entre as técnicas de dessalinização de águas, a desionização capacitiva (DIC) oferece baixo consumo energético, baixo custo de operação e manutenção (atua à pressão e temperatura ambiente), não produz rejeitos agressivos ao meio ambiente e possui uma eficiência de remoção de íons comparável a outras técnicas de dessalinização.

A tabela 1 mostra o custo energético por m3 de água produzidos das principais técnicas de dessalinização.

A desionização capacitiva é uma técnica de dessalinização emergente que remove íons de soluções aquosas através da aplicação de uma diferença de potencial, usualmente < 1,2 V, entre um par de eletrodos porosos [4–6]. Os ânions são removidos da água de alimentação através da migração em direção a superfície do eletrodo positivo (ânodo) enquanto os cátions são retidos na superfície do eletrodo negativo (cátodo) através de um processo de eletroadsorção. Desta maneira, uma dupla camada elétrica é

40 | setembro 2022 | Revista Grafeno

formada na interface eletrodo-solução, de modo similar ao que ocorre no carregamento de um capacitor. Os íons são mantidos na interface eletrodo-solução até a saturação dos eletrodos, quando ocorre o processo de regeneração pela inversão da polaridade dos eletrodos. Durante os ciclos de operação (dessalinização e regeneração), não há adição de reagentes químicos e as tensões aplicadas são baixas para evitar a eletrólise da água, o que torna a técnica ambientalmente adequada.

A eficiência do método capacitivo está relacionada ao processo de separação que consiste em remover o soluto (sais) do solvente (água) e não separar o solvente (maior quantidade da mistura) dos sais, como acontece com as técnicas de dessalinização incluindo de osmose reversa e os processos de destilação. Adicionalmente, como a célula de desionização funciona como um capacitor eletroquímico, a energia liberada durante o processo de regeneração dos eletrodos (descarga dos eletrodos) pode ser usada em outra unidade de DIC, em fase de carregamento dos eletrodos. O impacto desta tecnologia pode ser avaliado pelo número publicações científicas sobre os fundamentos e aplicações da técnica nos últimos 20 anos, conforme ilustra a Figura 1A.

artigo

Coletor de corrente

(A) E(V)

-

+

Água de alimentação

-

+ +

+

-

-

Eletrodo poroso de carbono

-

+

+

+

- - -

+

-

+

-

-

+

-

+ +

-

- -+

+

-

+

- -

+

-

-

-

-

+ + -+ + + -+ + + + -

-

Eletrodo poroso de carbono -

-

cátions

-

-

-

- - -

+

+

+

-

-

+ + +

+

-

+

-

- -

+ +

- -

-

+

+ +

- -

- -

Eletrodo poroso de carbono

-

+

+

+

- -

-

-

Coletor de corrente

Coletor de corrente +

+

E(V)

Água desionizada

-

+ ++ + ++ + +

+

+

+

Coletor de corrente Eletrodo poroso de carbono

(B)

+

- ânions

Figura 2. Diagrama esquemático de células de desionização capacitiva clássica durante processo de eletroadsorção (A) e regeneração dos eletrodos (B).

E(V)

-

+

Água de alimentação

-

+ +

+

-

Coletor de corrente Eletrodo poroso de carbono

-

+

+

+

- -

- - -

+

-

-+ -

+

+

-

+

+

-+ - +

Membrana trocadora de cátions +

+

Água desionizada

-

-

-

-

Membrana trocadora de ânions

-

-

-

-

-

-

+ - + + + + + + +- + Eletrodo poroso de carbono Coletor de corrente

+

cátions

- ânions

Figura 3. Diagrama esquemático de célula de desionização capacitiva com membrana trocadora de íons sobre eletrodos.

O avanço significativo desta tecnologia no período também se relaciona com a disponibilidade de novos materiais para construção de estruturas de eletrodos, entre eles estão os nanomateriais de carbono, especialmente os nanotubos de carbono de paredes múltiplas e as estruturas de grafeno e seus derivados, que são capazes de oferecer eletrodos com nanoestruturas bi- e tri-dimensionais, com alta condutividade elétrica, elevada área superficial, excelente resistência mecânica e boa estabilidade química e eletroquímica. A contribuição de artigos que utilizam NTC e ou grafeno e seus derivados em estruturas de eletrodos para aplicações em DIC nas últimas duas décadas é mostrada no detalhe (Fig. 1B).

Uma configuração típica de uma célula de DIC onde a água de alimentação flui perpendicular ao campo elétrico aplicado e a retenção dos íons na superfície dos eletrodos (etapa de purificação da água) é ilustrada na Figura 2A. No ciclo de descarga ou regeneração dos eletrodos (Fig. 2B), os íons adsorvidos são liberados

e retornam para a solução, onde a salmoura é descartada.

Nos sistemas que empregam membrana trocadora de íons (MDIC), uma membrana trocadora de cátions e uma membrana de trocadora de ânions são colocadas na frente do cátodo e ânodo, respectivamente, como mostrado na Figura 3. A introdução das membranas tem algumas vantagens em relação ao sistema de desionização clássico entre elas destacam se obstrução da saída de co-íons dos eletrodos, íons que são substituídos na dupla camada elétrica dos microporos do eletrodo no processo de adsorção dos contra-íons e a maior eficiência na remoção dos contra-íons da superfície dos eletrodos durante o ciclo de dessorção [6, 7].

Materiais de Eletrodos Em sistemas de desionização capacitiva, o material empregado na preparação dos eletrodos e sua estrutura morfológica tem efeito

Revista Grafeno | setembro 2022 | 41

artigo

Figura 4. Estruturas do grafeno (a) e seus derivados: óxido de grafeno, GO (b) e do óxido de grafeno reduzido, rGO (c).

significativo do processo de eletroadsorção. Desde a introdução da DIC como técnica de separação no início da década de 1960, os materiais de carbono são os mais utilizados para a fabricação de eletrodos [4–8]. Esta preferência ocorre porque as estruturas de carbono oferecem elevada área superficial, boa condutividade elétrica, baixo custo, excelente estabilidade química e eletroquímica em soluções aquosas. A distribuição hierárquica dos poros na estrutura dos eletrodos tem papel fundamental na eficiência do processo de eletroadsorção dos íons na interface eletrodo-solução. A predominância de microporos (poros com raio < 2nm) confere à estrutura do eletrodo elevada área superficial e maior estabilidade nos processos de carga e descarga dos eletrodos enquanto meso/macroporos devem assegurar a permeabilidade do eletrólito aos microporos para que os íons nesta região, percorram curtas distâncias da solução à superfície do eletrodo para o rápido carregamento da dupla camada elétrica [7-9]. Peng et al mostraram que a geometria de eletrodos de carbono mesoporosos tem influência no processo de eletroadsorção[10]. Eletrodos com grupos espaciais bidimensionais mostram melhor desempenho para remover cátions monovalentes enquanto eletrodos preparados com estrutura cúbica de simetria tridimensional são mais eficientes na remoção de cátions di- e trivalentes em solução. Os nanotubos de carbono e grafeno são materiais de carbono com estruturas únicas e excepcionais propriedade elétricas para aplicações em DIC [8, 9, 11]. Grafeno é um material bidimensional constituído de uma única folha plana de átomos de carbono hibridizados em ligação sp2 densamente empacotados em uma estrutura hexagonal [12], como ilustra em Figura 4. Como um material de eletrodo ideal para uso sistemas de DIC, o grafeno apresenta uma elevada área superficial (2630 m2 g-1), excelente condutividade elétrica (200 mS cm-1), boa estabilidade química e elevada resistência mecânica combinado com baixo custo e facilidade de síntese.

Visando explorar estas potencialidades Chang e Hu desenvolveram estruturas microporosas de grafeno para a confecção de eletrodos usados em sistema DIC [13]. A nanoestrutura microporosa proposta oferece excelente desempenho eletroquímico e capacidade de eletroadsorção de 9,13 mg g-1 a 2,0 V em 50 mg L-1 de NaCl,

42 | setembro 2022 | Revista Grafeno

superior a três vezes a capacidade de eletroadsorção de eletrodos de carbono ativado. O melhor desempenho dos eletrodos de grafeno foi atribuído a estrutura planar microporosa do nanomaterial de carbono que facilita o acesso do eletrólito à região de máxima eletroadsorção do material bidimensional. Durante a preparação de material dos eletrodos pode ocorrer a aglomeração de folhas de grafeno que reduz a área efetiva do eletrodo e a condutividade elétrica do material [14]. A remoção de grupos oxigenados do óxido de grafeno (GO) para formação do óxido de grafeno reduzido (rGO) que oferece maior condutividade elétrica, facilita o processo de empilhamento das nanoestruturas carbono. Para contornar este inconveniente, diferentes tipos de “espaçadores” são empregados entre eles estruturas zeolíticas de imidazólio (ZIFs-8) para construção de nano-sanduíches de carbono/rGO dopados com nitrogênio ultrafinos[15], óxidos metálicos e nanotubos de carbono [16, 17].

Aplicações práticas Embora os sistemas de DIC apresentam diversas características atrativas na comparação com outras técnicas de dessalinização, incluindo a osmose reversa para águas com média baixa salinidade (usualmente < 20 g L-1) o uso em rotina em unidades de tratamentos de águas de alta demanda ainda é baixo. Muitas das unidades de dessalinização que operam com tecnologia DIC são unidades pilotos com vazões que variam de 5,04 a 3783 m3/dia [4]. Mossad e Zou avaliaram o efeito da temperatura, da vazão e da concentração de sais na água de entrada (alimentação) de uma unidade piloto[18]. Os resultados indicaram que a eficiência de remoção dos sais depende significativamente da concentração sais na água de entrada e menos dependente da variação da temperatura e da vazão. Sistemas MDIC disponíveis comercialmente têm voltado atenção para algumas aplicações envolvendo o abrandamento de águas duras, ricas em Ca2+ e Mg2+ para prevenir incrustações em tubulações, na remoção de metais tóxicos como chumbo, cádmio e crômio de efluentes industriais e de fosfato e nitrato de efluentes agrícolas para evitar contaminação ambiental [19].

artigo

Figura 5. Membrana híbrida de PSF/GO/ZeoA recém-preparada (A) e imagem de MEV da seção transversal da estrutura polimérica (B).

Membranas de filmes finos Membranas finas que sejam capazes que assegurar maior eficiência energética, maior seletividade e durabilidade tem grande interesse em aplicações de tratamentos e dessalinização de águas. Os processos de tratamentos de águas por membranas são classificados em microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração, e osmose reversa de acordo com o tamanho dos poros e mecanismo de separação. Entre os materiais utilizados para preparação de membranas, os materiais poliméricos se destacam pela facilidade de processamento, versatilidade e baixo custo. Usualmente estas membranas filtrantes apresentam uma estrutura assimétrica, que consiste em uma fina camada ativa nanoporosa superior e uma camada microporosa inferior.

São fabricadas por um processo de inversão de fase, e utilizam usualmente estruturas poliméricas de polietersulfona (PSF) e poliamida. Apesar de amplamente utilizadas em sistemas de tratamentos de águas, estas membranas de filmes finos oferecem algumas limitações como baixa seletividade na rejeição de solutos, baixa resistência térmica e química e facilidade de sofrer com incrustações causadas pelo desenvolvimento de biofilmes sobre a superfície da membrana. Adicionalmente, o compromisso entre assegurar permeabilidade e seletividade é ainda um grande desafio em processos de tratamentos de águas que empregam esta tecnologia.

Para superar estas limitações e melhorar o controle na organização e orientação de cadeias poliméricas na superfície das estruturas filtrantes, novos materiais têm sido incorporados na fabricação de membranas funcionais incluindo os nanomateriais de carbono, particularmente o grafeno e seus derivados isoladamente ou combinados com outros materiais como óxidos e nanopartículas metálicas, além de zeólitas em busca de ações sinérgicas dos materiais compósitos. O grafeno oferece excelente estabilidade química, espessura atômica, elevada resistência mecânica e elevada área superficial. O uso de

grafeno nas estruturas poliméricas aumenta a hidrofobicidade do material e torna atrativo na retenção de compostos de baixa polaridade. A funcionalidade do grafeno pode ser modificada com a sua oxidação com a formação do óxido de grafeno. A presença de grupos oxigenados como -OH, - COOH e epóxi nas bordas e nos planos do GO confere propriedade hidrofílica ao material, facilitando a sua dispersão em água e a sua interação com solventes na matriz polimérica[20]. Nas membranas poliméricas a estrutura do GO proporciona trajetórias para circulação do líquido, oferece seletividade na adsorção de espécies químicas, atua como agente bactericida, aumenta a área superficial da estrutura filtrante e a resistência mecânica da membrana. Uma membrana típica que utiliza compósito de PSF/GO/ Zeólita A (Zeo A) é mostrada da Figura 5. A imagem da seção transversal da membrana indica a formação de uma camada superior com menor tamanho de poros que oferece seletividade do processo de separação. O desempenho de uma membrana constituída de PSF na proporção de massa PSF(76,5%/)/ GO(0,5%)/Zeo A(30%) na retenção de cátions monovalentes e divalentes de uma solução aquosa contendo 5,1 mg L-1 dos sais de KCl, CaCl2 e MgCl2 indicou 43,4% de K+, 90,3% de Ca2+ e 87,5% de Mg2+ [21].

A menor retenção do íon potássio em relação aos íons magnésio e cálcio sugere que o mecanismo predominante de interação dos cátions com a membrana é definido pela relação entre carga e o raio de hidratação do íon.

Considerações finais Os nanomateriais de carbono têm provocado efeito significativo no desenvolvimento de novos materiais de eletrodos e de estruturas de membranas para aplicações em processos de tratamentos de águas. Uso de nanotubos de carbono e de grafeno e seus derivados têm proporcionado o desenvolvimen-

Revista Grafeno | setembro 2022 | 43

artigo

to de uma nova geração de dispositivos multifuncionais para uso em processos de dessalinização e purificação de águas.

Em laboratórios de pesquisa e desenvolvimento, a modificação química destes nanomateriais permite inserir grupamentos que sejam capazes de melhorar a afinidade do dispositivo pela molécula de água, assegurar maior seletividade no processo de separação, diminuir a resistência hidrodinâmica, aumentar ação bactericida, entre outras funcionalidades. A transferência desta tecnologia para a produção em larga escala, por outro lado, demanda alguns desafios que incluem a disponibilidade de mão de obra especializada e multidisciplinar, a otimização da síntese dos nanomateriais e a uniformização de processos de fabricação dos dispositivos.

Referências bibliográficas [1] Organização das Nações Unidas, “International Decade for Action ‘Water for Life 2005-2015’ - The human right to water and sanitation.” http://www.un.org/waterforlifedecade/human_right_to_water.shtml (acessado em 02 de agosto de 2022).

[2] Organização das Nações Unidas, “Summary Progress Update 2021: SDG 6 — Water and sanitation for all.” https:// www.unwater.org/water-facts/water-scarcity (acessado em 02 de agosto de 2022).

[3] M. Qadir, B. R. Sharma, A. Bruggeman, R. Choukr-Allah, and F. Karajeh, “Non-conventional water resources and opportunities for water augmentation to achieve food security in water scarce countries,” Agric. Water Manag., vol. 87, no. 1, pp.

2–22, 2007.

[4] F. A. AlMarzooqi, A. A. Al Ghaferi, I. Saadat, and N. Hilal, “Application of Capacitive Deionisation in water desalination: A review,” Desalination, vol. 342, pp. 3–15, 2014.

[5] M. E. Suss, S. Porada, X. Sun, P. M. Biesheuvel, J. Yoon, and V. Presser, “Water desalination via capacitive deionization: What is it and what can we expect from it?,” Energy Environ. Sci., vol. 8, no. 8, pp. 2296–2319, 2015.

[6] G. Folaranmi, M. Bechelany, P. Sistat, M. Cretin, and F. Zaviska, “Towards electrochemical water desalination techniques: A review on capacitive deionization, membrane capacitive deionization and flow capacitive deionization,” Membranes (Basel)., vol.

10, no. 5, 2020.

[7] Y. M. Volfkovich, “Capacitive Deionization of Water (A Review),” Russ. J. Electrochem., vol. 56, no. 1, pp. 18–51, 2020, doi: 10.1134/S1023193520010097.

[8] B. Jia and W. Zhang, “Preparation and Application of Electrodes in Capacitive Deionization (CDI): a State-of-Art Review,” Nanoscale Res. Lett., vol. 11, no. 1, pp. 1–25, 2016.

[9] L. Chang, D. J. Stacchiola, and Y. H. Hu, “An Ideal Electrode Material, 3D Surface-Microporous Graphene for Supercapacitors with Ultrahigh Areal Capacitance,” ACS Appl. Mater.

Interfaces, vol. 9, no. 29, pp. 24655–24661, 2017.

[10] Z. Peng et al., “Comparative electroadsorption study of mesoporous carbon electrodes with various pore structures,” J.

44 | setembro 2022 | Revista Grafeno

Phys. Chem. C, vol. 115, no. 34, pp. 17068–17076, 2011.

[11] H. Li, L. Pan, T. Lu, Y. Zhan, C. Nie, and Z. Sun, “A comparative study on electrosorptive behavior of carbon nanotubes and graphene for capacitive deionization,” J. Electroanal.

Chem., vol. 653, no. 1–2, pp. 40–44, 2011.

[12] I. V. G. and A. A. F. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,” vol. 306, no. 5696, pp.

666–669, 2016.

[13] L. Chang and Y. H. Hu, “Surface-microporous graphene for high-performance capacitive deionization under ultralow saline concentration,” J. Phys. Chem. Solids, vol. 125, no. August 2018, pp. 135–140, 2019.

[14] Y. Liu, C. Nie, X. Liu, X. Xu, Z. Sun, and L. Pan, “Review on carbon-based composite materials for capacitive deionization,” RSC Adv., vol. 5, no. 20, pp. 15205–15225, 2015.

[15] M. Wang et al., “High performance capacitive deionization electrodes based on ultrathin nitrogen-doped carbon/ graphene nano-sandwiches,” Chem. Commun., vol. 53, no. 78, pp.

10784–10787, 2017.

[16] H. Li, S. Liang, J. Li, and L. He, “The capacitive deionization behaviour of a carbon nanotube and reduced graphene oxide composite,” J. Mater. Chem. A, vol. 1, no. 21, pp. 6335–6341, 2013.

[17] A. G. El-Deen, R. M. Boom, H. Y. Kim, H. Duan, M. B. Chan-Park, and J. H. Choi, “Flexible 3D Nanoporous Graphene for Desalination and Bio-decontamination of Brackish Water via Asymmetric Capacitive Deionization,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 8, no. 38, pp. 25313–25325, 2016.

[18] M. Mossad and L. Zou, “A study of the capacitive deionisation performance under various operational conditions,” J. Hazard. Mater., vol. 213–214, pp. 491–497, 2012.

[19] Lenntech Co., “Capacitive Deionization (CDI).” https:// www.lenntech.com/processes/capacitive-deionization-cdi-.htm (acessado em 12 de agosto de 2022).

[20] D. R. Dreyer, S. Park, C. W. Bielawski, and R. S. Ruoff, “The chemistry of graphene oxide,” Chem. Soc. Rev., vol. 39, no.

1, pp. 228–240, 2010.

[21] R. P. Almeida, “Desenvolvimento de Membranas Poliméricas Baseadas em Materiais Híbridos de Óxido de Grafeno e Zeólita para Tratamentos de Águas,” Universidade Presbiteriana Mackenzie, 2021.

Robson P. Almeida, Mestre em Engenharia de Materiais e Nanotecnologia, Universidade Presbiteriana Mackenzie; e Diretor da EcoPlanck Energia Limpa e Soluções Ambientais.

Jairo J. Pedrotti, Doutor de Química Analítica com estágio de Pós-Doutoramento no Departamento de Ciências dos Materiais e NanoEngenharia, Rice University, Texas, EUA (2016-2017).

Professor da Universidade Presbiteriana Mackenzie (1986-2021). e-mail: jairojpedrotti@gmail.com

QUALIDADE COMPROVADA NA CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS AVANÇADOS

MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA

Temos uma ampla gama de instrumentos, entre em contato conosco para conversarmos sobre seus desafios na caraterização de materiais!

MICROSCOPIA 3D

DIFRAÇÃO E FLUORESCENCIA DE RAIOS-X

TRIBOLOGIA

PERFILOMETRIA

NANOINDENTAÇÃO

INFRAVERMELHO, INFRAVERMELHO PRÓXIMO, R A M AN

Bruker do Brasil Ltda.

Innovation with Integrity

APOIO: