O óxido de grafeno é usado como um dos muitos elementos altamente tóxicos na tecnologia de ar condicionado?


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A nanoestrutura, a composição química e a distribuição de tamanho dos aerossóis têm efeitos importantes sobre sua eficiência na nucleação heterogênea do gelo (HIN).

Abstrato

A nucleação do gelo geralmente requer locais ativos nos aerossóis para atuar como núcleos de gelo (IN). Neste estudo, foram investigados HIN e prováveis locais ativos das nanopartículas de óxido de grafite (GGON), obtidas de óxido de grafite por choque térmico de baixa temperatura (LTTS). As características e distribuição de tamanho do GGON foram identificadas usando microscópio eletrônico de varredura (SEM) e processamento de imagem dos resultados, espectroscopia infravermelha de transformação de Fourier (FTIR), espectroscopia Raman e difração de raios X (XRD) de suas folhas.

Os espectros do FTIR indicam ligações mais fortes de carbono-oxigênio nas amostras obtidas pelo LTTS. Além disso, a distribuição de tamanho máximo do GGON variou em torno de 160-180 nm. Após a introdução destas partículas na câmara de nuvens, ocorreu o HIN e cristais de gelo foram formados. A distribuição de tamanho dos cristais foi obtida a partir do processamento da imagem das placas, onde cobertos por uma fina camada de Formvar, mostrou que o número de cristais de gelo no GGON foi aumentado conforme a temperatura aumentava de -20 °C para -10 °C. Além disso, foram descritos dois possíveis mecanismos de assimetria e deformação nos cristais de gelo do GGON.

Introdução

As interações nuvem-aerosol na atmosfera da Terra têm vários efeitos importantes sobre o clima e o sistema climático. Em primeiro lugar, estas interações podem mudar a distribuição de tamanho dos aerossóis, cujo impacto tanto nas radiações de ondas curtas de entrada quanto nas de saída de ondas longas é evidenciado. Em segundo lugar, mais de 50% da precipitação da Terra tem origem na fase de gelo e partículas que podem servir como núcleos de gelo (IN) são essenciais na microfísica da nuvem e da precipitação. Além disso, atualmente os seres humanos tentam modificar as nuvens a fim de aumentar seus recursos hídricos e, neste contexto, os aerossóis artificiais que contribuem na microfísica das nuvens são desejados na semeadura de nuvens. Portanto, as interações aerossol- nuvem e, consequentemente, seus efeitos sobre o clima, o clima e a mudança climática estão entre importantes questões ambientais globais. 1,2,3,4,5

As partículas de aerossóis (AP) são injetadas na atmosfera a partir de fontes naturais e antropogênicas através de diferentes mecanismos, e podem experimentar diferentes tipos de envelhecimento e processos de mudança de fase durante várias condições atmosféricas. O processo de transformação do AP em gotículas depende principalmente de seu tamanho, forma e composição química no processo conhecido como ativação do AP. A teoria de Kohler descreve os efeitos competitivos envolvidos na ativação das gotas de nuvens. Partículas de aerossóis com características especiais, que podem atuar como núcleos de condensação de nuvens (CCN) nas baixas supersaturações (SS) típicas para nuvens atmosféricas, podem ser ativadas.

Por outro lado, a nucleação heterogênea do gelo (HIN) requer normalmente um PA insolúvel para servir como um IN que inicia a fase de gelo através da deposição direta de vapor de água, congelamento através de meio aquoso e via contato, imersão ou condensação de PA específico. No modo de deposição, os cristais de gelo (IC) tornam-se maiores pela deposição das moléculas de água na superfície do IN, às custas das gotas líquidas próximas no processo conhecido como mecanismo Bergeron-Findeisen. Em contraste, o contato e o congelamento por imersão são iniciados quando o IN se aproxima ou fica imerso em uma solução aquosa ou em uma gota de água super-refrigerada. O congelamento por condensação ocorre freqüentemente quando existem três modos de nucleação de gelo. Como a ativação AP, a capacidade de IN de formar IC varia dependendo do tipo de partícula e das fontes e condições atmosféricas. Independentemente da fonte de IN, um aumento na ativação IN para a diminuição da temperatura de diferentes amostras de ar tem sido relatado. 6,7,8,9,10,11,12

As características específicas fundamentais que são capazes de adsorver moléculas de água são as mesmas características da atividade de nucleação do gelo. Experiências demonstraram que a estrutura geométrica das ligações IN na superfície do substrato são tão importantes quanto as IC. Por exemplo, a AgI com nucleabilidade efetiva do gelo tem estrutura semelhante à da CI hexagonal. Da mesma forma, a boa nucleabilidade de gelo da caulinita também se deve à disposição pseudo-hexagonal dos grupos hidroxila na superfície da malha. No caso de desalinhamento da malha, algumas moléculas sem limites através da interface resultam no aumento da energia livre da interface, conseqüentemente reduzindo a capacidade do AP de servir como um IN. 10,12

Idéias recentemente desenvolvidas sugerem que certos locais (por exemplo, rachaduras, locais hidrofílicos) de IN podem atuar como um embrião para o crescimento do gelo que é chamado de locais ativos. Alguns estudos relataram que os locais são menos propensos em partículas menores (menos do que 500 nm) a agir como IN; entretanto, outro estudo demonstra que o diâmetro de 200 nm pode constituir a maioria da IN. Por outro lado, a existência de regiões hidrofílicas e hidrofóbicas na IN pode facilitar a difusão superficial de moléculas fracamente adsorvidas perto do local ativo. Estudos experimentais também mostraram que a força das ligações químicas dos locais ativos afeta sua eficiência para exibir uma boa nucleabilidade do gelo.

As moléculas com simetria rotacional na superfície do substrato, cujos grupos de ligação H ativa são expostos a interações de superfície, podem construir locais ativos efetivos. Além disso, algumas impurezas químicas apresentadas na superfície do IN podem constituir ou modificar os efeitos de locais ativos. A adsorção de moléculas de água do vapor mostrou, quando amostras AgI contendo íons de impureza como K+ e No3-, têm maior eficiência de nucleação de gelo do que AgI puro. Alguns outros estudos revelaram que o IC também aparece preferencialmente em fissuras e em cavidades onde poderiam manter a umidade relativa abaixo da saturação do gelo devido ao efeito negativo da curvatura. 10,11,12,13,14,15,16,17

A natureza molecular orgânica, simetria rotacional, grupos de ligação de hidrogênio combinando com o gelo são de características importantes dos locais ativos na IN orgânica. Há algumas substâncias limitadas e aerossóis orgânicos biogenicamente dirigidos na atmosfera que podem atuar como IN no processo Bergeron. Tanto as partículas orgânicas primárias quanto as secundárias também têm demonstrado nuclear o gelo apesar de sua natureza amorfa, o que parece estar em contraste com o conceito de simetria rotacional e correspondência de grupos de ligação de hidrogênio. Por outro lado, estudos sobre materiais minerais mostraram que o quartzo e o feldspato contendo poeira do deserto são locais preferenciais de nucleação de gelo na IN em condições de nuvens de fase mista a temperaturas mais baixas (T < -15). curiosamente, o tratamento ácido (com HNO3 e H2SO4) ou revestimento de partículas de poeira, contendo caulinita, illite e feldspato, suprimiram a atividade IN no modo de deposição, o que contrasta com o efeito da impureza AgI. Assim, o estudo laboratorial da atividade IN de partículas orgânicas idealizadas é uma abordagem confiável para compreender as complexidades e contradições nas características da atividade IN orgânica e mineral do ambiente. 10,12,15,18,19,20,21,22,23

Novo estudo de campo sobre partículas de carbono preto (BC) como CCN mostrou o fato de que a maioria delas com um diâmetro maior que 180 nm tem pequenos núcleos BC com revestimento substancial através de várias condições de transporte atmosférico. Além disso, sua distribuição de tamanho de massa tipicamente atinge picos na faixa de 120-170 nm, e para o diâmetro da massa equivalente ao núcleo entre 170 e 200 nm a fração de ativação aumentou mais de 80% à medida que a espessura do revestimento aumentou de 0 para 60 nm. Outro estudo para diferentes polaridades e hidrofilicidade das partículas de fuligem mostrou que a oxidação da fuligem térmica leva a um aumento na densidade dos locais de adsorção de água ativa e na extensão da polaridade da superfície (polaridade intermediária), e assim aumenta a hidrofilicidade da superfície. Partículas de fuligem não revestidas de chama de propano com baixo teor de carbono orgânico (5% teor de carbono orgânico) podem acumular IN mais eficiente do que o teor mais alto de carbono orgânico (30% e 70% teor de carbono orgânico), e até 25% dessas partículas de fuligem foram ativadas no modo de deposição para a razão de saturação de gelo 1,22 a uma temperatura T = 226,6 K. 15,24,25

Existem alguns mecanismos diferentes para a captação de água de partículas de fuligem. Em primeiro lugar, a fuligem hidrofílica, que contém quantidades relativamente grandes de material solúvel em água, absorvida através da dissolução desses materiais solúveis. Em segundo lugar, a composição orgânica AP em áreas urbanas e o escapamento de diesel com diferentes classes de compostos polares absorvem água e, portanto, formam gotículas de água de núcleos insolúveis de fuligem. Por outro lado, os compostos orgânicos não-polares geralmente não absorvem água e também podem formar filmes de água sobre as partículas, inibindo assim a adsorção ou absorção das moléculas de água. Finalmente, a adsorção de água é observada nas partículas insolúveis de fuligem devido à interação com os locais ativos de superfície. 15,25

Recentemente o grafeno (G), uma rede bidimensional (2D) de carbono sp2, atraiu um grande interesse devido a suas fascinantes propriedades eletrônicas, mecânicas e térmicas após sua descoberta empírica em 2004. A camada única de G com espessura de 0,35 nm consiste de átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal semelhante à estrutura IC. O método de esfoliação térmica e química tem sido amplamente utilizado nos últimos anos e ambos são confiáveis e de baixo custo. A usual redução e oxidação química e térmica pode resultar em óxido de grafeno (GO) junto com G, e eles, por sua vez, fazem ilhas hidrofílicas e hidrofóbicas dentro de nanopartículas. Esta estranha combinação é desejada no HIN. A nucleação de gelo de tais superfícies tem sido relatada na zoologia especialmente para o besouro do deserto de Stenocara que pode colher névoa na pele através de tal processo Nano físico. Outros estudos também mostram que diferentes nanomateriais de carbono dispersíveis em água são capazes de nuclear gelo, e este processo é mais eficiente em tubos e estruturas curvas do que em espécies G planas. Aqui usamos nanopartículas mistas de GGO (GGON) para HIN em câmara de nuvens e provável semeadura de nuvens. 26,27,28,29,30,31,32

Neste estudo, utilizamos o método de redução de choque térmico de baixa temperatura (LTTS) sobre óxido de grafite para obter nanopartículas à base de carbono. As nanopartículas resultantes foram identificadas usando microscópio eletrônico de varredura (SEM), espectroscopia infravermelha de transformação de Fourier (FTIR) e espectroscopia Raman de folhas G. A distribuição da forma e do tamanho do GGON misto pode ser determinada a partir do processamento da imagem dos resultados do SEM. A distribuição de tamanho obtida é compatível com estudos anteriores de fuligem e BC com analisador preciso de mobilidade diferencial. Em seguida, os GGON são introduzidos em câmara de nuvens que resultam em nucleação de gelo que é apresentada aqui. Assim, as propriedades do GGON do método de redução LTTS foram investigadas, cujas propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas combinadas, limites químicos e distribuição de tamanho foram consideradas em detalhes.

Este trabalho está organizado da seguinte forma. A próxima seção dá uma breve visão geral dos métodos, materiais e instrumentação que foram utilizados neste estudo. As características da câmara de nuvens e a preparação do material são apresentadas na próxima seção. A terceira seção apresenta os espectros SEM, FTIR, XRD e XRF e Raman dos resultados. Tentamos confirmar locais ativos sobre o GGON e sua natureza 2D com o uso dos resultados. Finalmente, é apresentada a comparação entre a cristalização do AgI comercial, caulinita e o GGON e sua atividade de cristalização de gelo na câmara de nuvens.

Materiais e métodos

Câmara de nuvens

As câmaras de nuvem são grandes recipientes com controle de temperatura e umidade que são usados para quantificar a quantidade e o tipo de formação de CI. Uma experiência típica envolve a redução da temperatura e aumento da taxa de saturação através da expansão do vapor de água em uma câmara a fim de formar nuvens homogêneas em condições específicas. Em nossos experimentos, a câmara de nuvem consistiu de uma câmara habitual com volume de 220 L e dimensões de 906 × 555 × 840 mm. A câmara operou à pressão atmosférica e suas temperaturas podem ser ajustadas de -24 °C a faixas mais quentes. Uma quantidade específica de vapor de água entra na câmara através de um orifício no fundo da mesma.

Condições homogêneas de temperatura e umidade em todo o volume podem ser controladas com placa eletrônica. Esta condição foi obtida operando o ventilador de mistura (pequeno ventilador elétrico) na câmara. Após entrar uma quantidade específica de vapor de água na câmara, ela é completamente preenchida por gotículas super-refrigeradas em poucos segundos. Em seguida, as partículas foram introduzidas na câmara de nuvens a fim de estudar a formação do CI.

Os cristais de gelo têm uma variedade de formas e tamanhos em diferentes condições atmosféricas, de acordo com a classificação Magno-Lee. Mas sob as condições de nosso experimento, todos os tipos de placas tipo IC foram preferidos. O CI na câmara pode ser quantificado nas placas que foram revestidas pelo Formvar (polivinilformal). Após a introdução do IN na câmara, o CI foi gradualmente formado durante o desaparecimento das gotículas, e finalmente apenas o CI permaneceu na câmara. Os cristais de gelo que foram formados em diferentes modos acima mencionados foram amostrados com a técnica de réplica. A placa que foi revestida com uma fina camada de diferentes porcentagens de solução Formvar em clorofórmio (2%, 4% e 6%), foi exposta aos cristais em queda no fundo da câmara em duração de tempo específica. 33,34

Estas diferentes porcentagens de Formvar foram escolhidas devido à diferente aparência de efeitos de gotas de água super refrigeradas em diferentes porcentagens de Formvar. Além disso, queremos confirmar que a transmissão de luz no centro do CI para o GGON e a assimetria do CI observada não foram devidas às condições e composições revestidas. Então, as concentrações de CI na câmara foram obtidas contando-as com um microscópio ótico, que foi colocado ao ar livre da câmara. As placas foram colocadas dentro de um dessecador onde o CI e o clorofórmio foram evaporados. Finalmente, a distribuição do tamanho do CI foi obtida a partir do processamento da imagem das figuras. Mesmo que este método não seja muito preciso e atualizado, ele pode ser responsável pela ilustração da cristalização do GGON.

A umidade antes da nucleação IN, foi medida por uma placa eletrônica (placa microcontroladora Arduino Uno) com 4 sensores DHT22 para controlar o gradiente de temperatura. Portanto, a plataforma de sensores permite obter a temperatura e umidade atuais da câmara. O controle da temperatura e umidade na câmara de nuvens pode ser uma tarefa difícil para formar nuvens homogêneas em condições específicas. Assim, supomos um gradiente de temperatura horizontal e vertical de cerca de 1 K m-1 como uma nuvem homogênea.

Para garantir a possível influência das paredes no processo de nucleação, a parede da câmara foi limpa com acetona e álcool cada experimento e filtragem de ar foi realizada antes da formação de nuvens. O LTTS foi feito com o uso de um pequeno fio cônico Nichrome (aquecedor) com voltagem específica para todos os materiais, que foi rodeado por um pequeno tubo de vidro Pyrex a fim de transportar as partículas resultantes para os fundos da câmara. A temperatura do aquecedor de Nichrome variou da temperatura ambiente até 300 °C. Três tipos de materiais disponíveis, que têm o potencial de HIN e semeadura de nuvens frias, foram injetados desta forma no fundo da câmara.

Preparação de materiais

O processo de obtenção do GGON pelo LTTS envolve duas etapas principais. Primeiro, sintetizamos o óxido de grafite pelo método de Hummer com base no pó de grafite oxidado. Neste processo, em um frasco de 250 cc 1 g de grafite foi adicionado a 25 cc de H2SO4. O frasco foi então colocado em um banho de gelo para 15 min para resfriá-lo até 0 °C. Depois disso, 3 g de permanganato de potássio (KMnO4) foi adicionado lentamente ao frasco. A suspensão obtida foi então agitada continuamente para 2 h. A temperatura nesta etapa foi mantida a 35 °C. Em seguida, foi diluída por 200 cc de água desionizada à temperatura de 60 °C. A solução de H2O2 foi então adicionada ao frasco sobre o qual o permanganato residual foi reduzido a íons de manganês solúveis. O produto obtido foi então isolado por filtração, lavado copiosamente com água deionizada, e seco a 60 °C para 24 h para obter o pó de óxido de grafite. 35

Os espectros Raman da camada GGO exibem dois picos importantes chamados D, G e bandas 2D em torno de 1331, 1590 e 2898 cm-1. A banda G mostra a presença de estruturas do tipo carbono sp2 dentro da amostra, a banda D está associada à presença de defeitos nas camadas gráficas hexagonais e a banda 2D é atribuída ao desenvolvimento da estrutura do grafeno (Fig. 1a). A difração de raios X (XRD) foi usada para estudar a morfologia das folhas GGO e forneceu os picos em 2θ = 10° (d001 = 0.83 nm), 2 θ = 20° (d002 = 0 0.48 nm), 2θ = 26° (d002 = 0 34 nm) e 2θ = 55° (d004 = 0 0.17 nm). Os picos em 2θ = 26°, 55° é característico da grafite e após a oxidação química da mesma a distância interplanar aumenta e os outros picos aparecem (Fig. 1b). A distância entre as folhas GGO é semelhante à constante c-lattice do CI de acordo com os resultados do XRD. 36

Figur 1
(a) Espectroscopia Raman, (b) XRD (c) FTIR (para pó de óxido de grafite antes do choque térmico), (d) SEM, (e) TEM e de diferentes tipos de folhas GGO, (f) Tabela de EDX para presença de alguma impureza na camada GGO.

 

Os espectros do FTIR mostram a presença de C-H, C-O, C-O-C, C-C e C = O em 900, 1020, 1123, 1583 e 1710 cm-1 respectivamente na Fig. 1c. A intensidade dos picos é diferente para as camadas G e pó de óxido de grafite. Especialmente, o aparecimento de um pico de espalhamento na região de 3000 a 3600 cm-1 é visto no FTIR do pó de óxido de grafite que está relacionado à vibração de tração da ligação O-H (Fig. 1c). As nanopartículas da GGO mostram um pico mais fraco no comprimento de onda de vibração semelhante. As imagens SEM e TEM mostram a microestrutura do GGO sintetizado (Figs. 1d,e). A tabela correspondente à análise EDX indica a presença de alguma impureza na camada GGO (Fig. 1f). A existência do No3- está clara nesta tabela.

Embora nosso objetivo principal fosse considerar IN atividade do GGON, consideramos três tipos de IN disponíveis na mesma condição a fim de confirmar e comparar os resultados obtidos. AgI, caulinita e o GGON foram utilizados em nossa experiência para comparar a atividade IN. Utilizamos a mistura pirotécnica das chamas russas PV-26, que é utilizada na semeadura operacional de nuvens, que contém até 4% AgI (Fig. 2a). O AgI comercial devido aos materiais pirotécnicos pode ser facilmente queimado no aquecedor Nichrome. Usamos forma comercial de caulim, que continha 47.35% SiO2 e 37% Al2O3. Algumas outras impurezas como Na2O (1.11%), MgO (0.24%), CaO (0.65%), TiO2 (0.2%) e Fe2O3 (0.83%) também existiam no caulim usado (ver Fig. 2c).

Figur 2 1
Iodeto de prata de PV-26 flares, (b) pó de óxido de grafite, (c) pó de caulinita.

Na segunda etapa, o pó de óxido de grafite (Fig. 2b) foi colocado no aquecedor a fim de executar rapidamente o LTTS, e o GGON na câmara de nuvens foi obtido. Utilizamos 0.01 g dos materiais acima mencionados no aquecedor para introduzir na câmara em cada experimento. Deve-se observar que o choque térmico é um método famoso para reduzir o GO, mas é muito sensível ao gradiente de temperatura (°C /h). Neste experimento, o Nichorome ficou avermelhado em poucos segundos e o processo LTTS ocorreu menos do que 10 s.

Resultados e Discussões

As nanopartículas à base de carbono resultantes são coletadas em placas preparadas e o processamento da imagem das nanopartículas SEM é realizado com o uso do tamanho pré-específico (Fig. 3a,b). A distribuição de tamanho do GGON e suas características com SEM é mostrada na Fig. 3. A distribuição de tamanho do GGON resultante do LTTS variou de 80 nm a 400 nm com a distribuição máxima em torno de 160-180 nm (Fig. 3a,b). Estas placas de GGO em IN, onde fazem ilha hexagonal hidrofóbica em hidrofílica a estrutura, podem fazer locais ativos em IN e serem ativados na câmara de nuvens. A formação destes sítios ativos no GGON é muito importante na microfísica HIN e nas nuvens, e o mecanismo de adsorção de água neles deve ser mais esclarecido. Portanto, tentamos na seção seguinte descrever tal adsorção de moléculas de água do ponto de vista da nanoestrutura. Além disso, a Fig. 3c representa o grupo epoxi e carboxil na análise GGON by FTIR.

Figur 3 1
(a) SEM, (b) distribuição em tamanho do GGON derivado do processamento de imagens e (c) FTIR do GGON.

 

De acordo com os resultados nas Figs. 1 e 3, pode-se deduzir que tanto a distribuição de tamanho quanto a estrutura do GGON obtido do LTTS são de interesse na formação do HIN e IC. Esta distribuição é compatível com medidas anteriores do contador de aerossol BC (normalmente picos na faixa de 120-170 nm) para atuar como CCN e tamanho de fuligem térmica. A alta proporção de O/C indica a presença simultânea da camada G e GO. Embora G seja hidrofóbico, GO é hidrofílico e a existência destas duas propriedades lado a lado fornece o fundo de benefício para a nucleação do gelo. Além disso, pesquisas mostram que a relação O/C da fração (aqui cerca de 3) e o baixo carbono orgânico têm influência positiva nas características dos locais ativos e, portanto, na atividade de nucleação do gelo. 24

Alguns íons de impureza como NO3- são inseridos nas camadas de grafeno durante o processo de síntese, e podem aumentar a probabilidade de existência de locais ativos no GGON aumentando o espaçamento entre as camadas e a adsorção química. Deste ponto de vista, as impurezas de GGON podem agir de forma semelhante às impurezas AgI. A presença de grupos funcionais como grupos hidroxila e carboxila no GGON resulta na adsorção de moléculas de água por ligações de hidrogênio.

Na verdade, as moléculas de água têm forma polar perto da superfície do GGON, como abaixo:

2H2OOH+H3O+2H2O→OH-+H3O+

A ligação de íons positivos com grupo ativo na superfície através da retirada dos elétrons e íons negativos pode interagir com parte positiva de outra molécula de água. Devido à distribuição aleatória das folhas G e GO com diferente disposição para atrair a água, este mecanismo também pode ser importante na assimetria da formação de CI pelo GGON. Além disso, a água adsorvida pode penetrar através dos capilares internos. A penetração de água para baixo pode aumentar a força de adsorção e a distância entre as camadas de GGO.

Como relatado anteriormente, algumas pesquisas demonstraram rachaduras, cavidade e bordas do substrato podem resultar na formação de locais ativos na IN, de modo que os capilares da GGO podem agir da mesma forma. A distância entre as folhas da GGO é semelhante à constante c-lattice do CI, de acordo com os resultados do XRD. Também a malha hexagonal e as propriedades fractais do GGO causam a correspondência cristalina entre elas e o cristal de gelo que tem efeito principal sobre a capacidade de nucleação.

De acordo com esta descrição da nanoestrutura, as placas GGO no GGON, onde fazem a ilha hexagonal hidrofóbica na estrutura hidrofílica, podem fazer locais ativos na IN e ser ativadas na câmara de nuvens (Fig. 4). A formação de CI pelo GGON na câmara de nuvens é apresentada na Fig. 4. Aqui, três condições específicas de nuvens em T = -10 °C, -15 °C e -20 °C foram selecionadas na câmara de nuvens durante a importação do GGON, a fim de estudar os efeitos da temperatura na formação de CI. Os efeitos de três tipos de IN (o GGON na primeira linha, AgI e caulinite na segunda e terceira linhas) são mostrados para comparação na Fig. 5. A Figura 5a mostra a CI do GGON, na qual seus tamanhos e formas são diferentes de outros dois materiais (compare a Figura 5a com 5b e 5c). Seus tamanhos são menores que a CI de AgI e caulinita.

O centro do CI do GGON transmite a luz visível do subpavimento em todas as porcentagens da solução Formvar, mas este efeito não foi visto no CI de outros materiais. Isto se deve às famosas características ópticas do GGO, no qual o GGO transmite mais de 95% de luz visível. 37

Figur 4 1
IC com o uso de GGON na câmara de nuvens.

 

Figur 5 1
Réplica de CI formada em lâminas cobertas com formvarpoly vinyl formal e 2% clorofórmio (primeira coluna), 4% clorofórmio (coluna do meio) e 6% clorofórmio (última coluna), (a) GGON (b) AgI (c) Caulinita.

 

Há também alguns tipos de assimetria e deformação na formação da CI do GGON. A assimetria em algumas estruturas de cristais pode ser vista na Fig. 5a. alguma razão provável para este efeito foi declarada do ponto de vista da nanoestrutura. Um tipo de assimetria na CI havia sido relatado anteriormente para a proteína anticongelante de abetos de abeto a pressão atmosférica. Eles interpretaram esta assimetria em termos de seqüências de crescimento e crescimento de melaço, nas quais tanto o crescimento quanto as formas de derretimento da morfologia hexagonal facetada do gelo são girados 30° em relação um ao outro. Mas esta assimetria ou deformação da CI do GGON não é regular e ordenada. Aqui foi observado um tipo de assimetria direcional que tende a ser circular na borda da CI. Algumas gotas grandes circulares também existiam na Fig. 5a que é semelhante à formação de gotas que seus centros não transmitem luz (partículas de grafite). 38

Assim, diferentes mecanismos podem ser contribuídos no CI e ativação do GGON. Por um lado, o LTTS pode resultar não apenas em GGON, mas também em algumas partículas de grafite geradas. Por outro lado, alguns sites ativos do GGON podem conter sites higroscópicos de grafite. Ambos estes prováveis mecanismos podem resultar em assimetria na CI. No mecanismo anterior, IN crescimento em sítios ativos de GGON e algumas formas circulares são devidos à absorção de água de grafite higroscópica. Então, a coagulação deles pode justificar a CI observada. As gotas também são mais escuras que a CI devido ao congelamento rápido de gotas super-resfriadas, quando colidem com partículas de grafite. Porque quando as gotas super-refrigeradas congelam imediatamente no IN, produzindo uma camada de gelo opaco contendo muitas bolhas de ar.

O mecanismo posterior pode resultar em assimetria e deformação de uma IN, na qual ela tende a crescer como um cristal em um aspecto e a se ativar como uma gota em outro aspecto. Esta interpretação também é compatível com os resultados do XRD, nos quais os picos em 2θ = 26°, 55° são característicos da grafite. Os efeitos de gotas super-refrigeradas em placas que são mais aparentes em mais porcentagens de clorofórmio (4% e 6%) não podem ser observados para o GGON. Isso significa que a maioria das gotas da nuvem na câmara pode se transformar em CI ou gotas maiores.

A distribuição do tamanho do CI na câmara é mostrada na Fig. 6 em três temperaturas diferentes, T = -20 °C, -15 °C e -10 °C. Os resultados mostram que diferentes comportamentos são diferentes a estas temperaturas. HIN é comparável com a AgI. O diâmetro circular e a distribuição do tamanho dos cristais que existem em iodeto de prata foram medidos e o resultado pode ser visto na Fig. 6a. Os diâmetros circulares destes cristais estão na faixa entre 10-180 µm. A faixa máxima do diagrama é 50 µm a 100 µm. O diâmetro circular e a distribuição de tamanho dos cristais que existem em caulinita foram medidos e o resultado pode ser visto na Fig. 6b. Os diâmetros circulares destes cristais estão na faixa entre 10-180 µm.

A faixa máxima do diagrama é 50 µm a 80 µm. O diâmetro circular e a distribuição de tamanho dos cristais que existem no GGON foram medidos e o resultado pode ser visto na Fig. 6c. Os diâmetros circulares destes cristais estão na faixa entre 10-180 µm. A faixa máxima de CI ocorre a -10 °C e a concentração de CI aumenta conforme a temperatura aumenta. Este efeito é provavelmente devido ao aumento da concentração de CI com partículas higroscópicas de grafite que se formam durante o modo de contato em faixas mais quentes.

Figur 6
Distribuição por tamanho de CI com (a) iodeto de prata. (b) caulinita, (c) nanopartículas G e GO.

 

Conclusão

A nucleação do gelo geralmente requer locais ativos nos aerossóis para atuar como uma IN. Tanto as características químicas quanto mecânicas da superfície do substrato são importantes na construção de locais ativos na IN. Consequentemente, íons impuros e rachaduras, cavidades e capilares resultam na formação de locais ativos. Neste estudo, foram consideradas a formação de HIN e IC em prováveis locais ativos do GGON, obtidos de óxido de grafite por LTTS. A distribuição de tamanho do GGON variou de 80 nm a 400 nm com a distribuição máxima em torno de 160-180 nm, que é compatível com as medidas anteriores do contador de aerossol de BC (normalmente picos na faixa de 120-170 nm) e tamanho de fuligem térmica (distribuição de tamanho do núcleo pré-expansão de 150-250 nm). 15,24,25

Os espectros do FTIR mostram a presença de C-H, C-O, C-O-C, C-C para camadas G e pó de óxido de grafite, naquela vibração de tração da ligação O-H de óxido de grafite na região de 3000 a 3600 cm−1 ilustrar o pico de propagação. Os espectros Raman das folhas GGO exibem dois picos importantes chamados D, G e bandas 2D, onde a banda G mostra a presença de sp2 estruturas do tipo carbono dentro da amostra, a banda D está associada à presença de defeitos nas camadas gráficas hexagonais e a banda 2D é atribuída ao desenvolvimento da estrutura do grafeno. O GGON continha folhas GGO, onde os locais ativos desejados da ilha hexagonal hidrofóbica são colocados na estrutura hidrofílica.

Embora G seja hidrofóbico, GO é hidrofílico e a existência destas duas propriedades lado a lado fornece o fundo de benefício para a nucleação do gelo. A distância entre placas nas placas GGO é semelhante à constante c-lattice do CI de acordo com os resultados do XRD. Além disso, a treliça hexagonal e as propriedades fractais do GGO causam uma correspondência cristalina entre elas e o cristal de gelo que tem efeito principal na capacidade de nucleação. Após a introdução destas partículas à base de carbono na câmara de nuvens pelo LTTS, os CI foram formados. De acordo com EDX e resultados, alguns íons de impureza, tais como No3 são inseridas nas camadas de grafeno durante o processo de síntese, e similares à AgI, podem aumentar a probabilidade de existência de sites ativos no GGON aumentando o espaçamento entre camadas e a adsorção química. Além disso, a água adsorvida pode penetrar através dos capilares internos. A penetração de água para baixo pode aumentar a força de adsorção e a distância entre camadas de GGO.

Os CI do GGON são menores que os CI da AgI e da caulinita. O centro do CI do GGON transmite a luz visível do subpavimento em todas as porcentagens da solução Formvar. Isto se deve às famosas características ópticas da folha GGO, na qual o GGO transmite mais de 95% de luz visível. Há também alguns tipos de assimetria e deformação na formação de CI do GGON. Foi observado um tipo de assimetria que tende a ser circular na borda. Algumas gotas grandes circulares também existem que seus centros não transmitem a luz subjacente devido às diferentes estruturas das partículas de grafite. Dois possíveis mecanismos foram propostos para a assimetria vista ou deformação na formação de CI do GGON.

Primeiro, o LTTS pode resultar não apenas no GGON, mas também em algumas partículas de grafite. Em seguida, o IN cresce em locais ativos do GGON e algumas gotículas são formadas devido à absorção de água de grafite higroscópica. Então, a coagulação e colisão das mesmas pode justificar a CI observada. Em segundo lugar, alguns sítios ativos do GGON podem conter sítios higroscópicos de grafite. Este mecanismo pode resultar em assimetria e deformação em um IN, no qual ele tende a crescer como um cristal de um aspecto e a se ativar como uma gota no outro aspecto. Esta interpretação também é compatível com os resultados do XRD, nos quais os picos em 2θ = 26°, 55° são característicos da grafite. 35

Além das fascinantes propriedades eletrônicas, mecânicas e térmicas das folhas GGO, seu HIC de nanopartículas 2D deveria ser mais estudado. Algumas de suas interessantes propriedades e possíveis mecanismos para a formação de CI foram apresentadas. Devido à falta de instrumentos de laboratório para distribuição de tamanho de aerossol ótico, contador CCN, CPC e SP2, não podemos determinar a fração de ativação precisa do GGON em diferentes rações de SS. Estudos complementares podem ser feitos com o uso do SP2. Assim, devido à importância das partículas do tipo carbono em muitos fenômenos, como incêndios florestais e cinzas vulcânicas e seus efeitos na mudança climática, propomos a continuação de tais nanopartículas de carbono 2D em grandes e famosas câmaras de nuvens com instrumentos suficientemente atualizados. Além disso, também foi proposta a provável formação de partículas de carbono 2D durante os incêndios florestais e erupções vulcânicas.

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