Caracterização da deposição eletroquímica de cobre e óxido de cobre(I) sobre substratos de aço inoxidável revestidos com nanotubos de carbono

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6786 (2023) Citar este artigo

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Os revestimentos nanocompósitos compostos por nanotubos de carbono e várias formas de cobre foram preparados no processo de duas etapas. Primeiramente, nanotubos de carbono foram revestidos em substrato de aço inoxidável usando deposição eletroforética em corrente constante. Em seguida, o processo de deposição eletroquímica utilizando soluções de sulfato de cobre(II) foi realizado em condições de alto sobrepotencial. A modificação da concentração dos cátions cobre(II) na solução e do tempo de deposição proporcionou a formação de várias formas de cristais. As amostras e suas seções transversais foram observadas e examinadas em microscópio eletrônico de varredura equipado com sistema de espectroscopia de dispersão de elétrons. A análise da composição química revelou que além dos cristais de cobre puro, foram formados os cristais caracterizados pela presença de cobre e oxigênio. Portanto, a espectroscopia Raman foi aplicada para determinar a estequiometria desconhecida deste óxido de cobre. A análise pontual e aprofundada identificou o óxido de cobre(I) na forma de cristais de tamanhos diferentes, dependendo da concentração da solução de sulfato de cobre(II). Para confirmar esses achados, também foram realizadas medidas de difração de raios X de incidência rasante. a combinação dos métodos aplicados forneceu a descrição detalhada da preparação dos revestimentos nanocompósitos com o mecanismo proposto de formação de óxido de cobre(I).

Os métodos eletroquímicos ainda são considerados uma das técnicas mais favoráveis ​​de produção de revestimentos compósitos, apesar do contínuo desenvolvimento de outros métodos [como a deposição física de vapor (PVD) ou a deposição química de vapor (CVD)]. Destacam-se dos demais por sua alta versatilidade, repetibilidade e simplicidade em combinação com o controle preciso das propriedades dos produtos obtidos1,2. As outras vantagens são baixo custo, quantidade reduzida de resíduos e fácil escalabilidade dos equipamentos utilizados nos processos eletroquímicos. Além disso, alterando os parâmetros do processo, é possível adequar as propriedades cruciais dos revestimentos, como espessura, rugosidade e morfologia3,4,5. Essas vantagens, juntamente com a variedade de materiais recebidos e suas aplicações, colocam a eletroquímica no centro das atenções para pesquisadores de diversas áreas da ciência. Revestimentos compostos, em que as partículas na matriz condutora podem ser metálicas, poliméricas ou cerâmicas, têm sido usados ​​com sucesso em eletrônica, engenharia de superfície, aeroespacial ou proteção contra corrosão6,7,8,9,10,11. Os processos de deposição eletroquímica (ECD) são conhecidos desde o início do século XIX, mas a pesquisa ainda está em andamento para explicar seus mecanismos. Embora as reações eletroquímicas que ocorrem durante o processo de eletrodeposição sejam relativamente fáceis de equilibrar por várias equações redox, as etapas individuais do processo que ocorrem de acordo com mecanismos específicos ainda são objeto de pesquisa e modelagem de processos12,13. Simplificando, o ECD é baseado na modificação da superfície do substrato condutor com um revestimento aderente fino e firme do material desejado depositado a partir da solução. Ocorre na interface das duas fases: líquida (eletrólito) e sólida (eletrodos) no circuito elétrico fechado. O sistema pode estar longe do estado de equilíbrio químico, pois os potenciais aplicados podem diferir dos valores de equilíbrio determinados pela equação de Nernst ou pelos diagramas de Pourbaix14. Assim, controlando-se o potencial aplicado e o pH, é possível obter várias formas (químicas, estruturais ou cristalográficas) do material a partir de uma mesma solução15,16,17.

O cobre é um dos metais mais utilizados na indústria e atualmente o material mais aplicado em ECD. Isso se deve principalmente à sua excelente condutividade térmica e elétrica e propriedades anticorrosivas. Em soluções ácidas, os cátions cobre(II) (Cu2+) são diretamente reduzidos a cobre metálico (Cu) de acordo com a seguinte reação: