Ferritas de zinco substituídas com Gadolínio pelo método hidrotermal de micro-ondas.

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

Materiais

Autores

Borges, M.D.F. (UFMA) ; Rodrigues, J.A.O. (UFMA) ; Sinfrônio, F.S.M. (UFMA) ; Silva, F.C. (UFMA)

Resumo

As ferritas são materiais cerâmicos do tipo espinélio com propriedades magnéticas, as quais podem ser alteradas mediante a escolha dos íons. O presente trabalho trata da síntese de ferritas de zinco de composição ZnGdxFe2-xO4, substituída pelo íon Gd3+ (x=0,012; 0,025; 0,05; 0,075; 0,1). As ferritas foram preparadas pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas, e posteriormente secas em estufa a 100 °C/4h e caracterizadas por FTIR e DRX. Os espectros de FTIR, indicam a presença de modos vibracionais atribuídos a ligação (M-O) em seus respectivos sítios, tetraédricos e octaédricos, característico de materiais espinélio. As análises de DRX confirmam a formação de estruturas cúbicas monofásicas e com características nanométricas.

Palavras chaves

Ferritas; micro-ondas; Gadolíneo

Introdução

Espinélios são óxidos que tem fórmula geral AB2O4 e estrutura formada por um empacotamento cúbico de faces centradas em que os interstícios atômicos são ocupados por íons metálicos tetraédricos e octaédricos (CULLITY e GRAHAM, 2009). Dentre estes óxidos encontram-se as ferritas, que demonstram aplicabilidade industrial devido as suas características óticas, magnéticas, elétricas, estabilidade termodinâmica, condutividade elétrica, atividade eletrocatalítica e resistência à corrosão de alta relevância tecnológica e industrial (COSTA, 2010; FARAZ et al., 2012). O campo da química de materiais cerâmicos com comportamento magnético e elétrico com potencial aplicação em dispositivos eletrônicos vem se desenvolvendo rapidamente, bem como, o estudo da qualidade do material sintetizado pelos diferentes métodos de obtenção, o que viabiliza a geração de materiais magnéticos cada vez mais eficientes (LIMA et al., 2011). Nas últimas décadas, a síntese de ferritas tem atraído interesse de pesquisadores e inúmeros métodos para obtenção desses materiais foram desenvolvidos e aprimorados (BRITO,2006). Ferritas de diferentes composições e estequiometrias com estrutura cristalina tipo espinélio normal e inverso têm sido amplamente estudadas devido a sua potencial aplicação em dispositivos eletrônicos (WAQAS et al., 2012). Nesse sentido, a substituição de íons de terras raras na estrutura espinélio, promove uma desordem estrutural e aumenta os parâmetros elétricos e magnéticos. (H. Rainer et al., 2000; A. Rana et al., 2011). Dessa forma, este trabalho tem como objetivo sintetizar e caracterizar as ferritas de zinco de composição ZnGdxFe2-xO4, substituída pelo íon Gd3+ (x=0,012; 0,025; 0,05; 0,075; 0,1) obtidas pelo método hidrotermal assistido com micro-ondas.

Material e métodos

As ferritas de zinco substituídas com Gadolínio foram obtidas pelo Método Hidrotermal assistido por Micro-ondas utilizando soluções 0,05 mol. L-1 de nitrato de Gadolínio e Zinco. Para tanto, a mistura foi condicionada no reator de micro-ondas, obedecendo a estequiometria de interesse, e seu pH elevado a aproximadamente 13 pela adição da solução 2 mol.L-1 de Hidróxido de Sódio. Em seguida, a mistura reacional foi tratada a 100 °C, por 60 minutos, utilizando uma razão de aquecimento de 10 °C/min. Posteriormente, o precipitado obtido foi separado da solução sobrenadante, por filtração simples, e lavado repetitivamente com água ultrapura até o estabelecimento de pH ≈ 7,0. Por fim, o material foi seco em estufa a 100°C por 4h e macerado até obtenção do pó da ferrita. Os ensaios cristalográficos foram realizados um difratômetro de policristais da marca Rigaku, modelo Miniflex II, com radiação monocromática Cu Kα (λ = 1.5406 Å), taxa de varredura de 0,02 °s-1 e 2θ entre 20 - 90º. Os difratogramas foram avaliados mediante comparação com banco de dados cristalográficos Joint Committee on Powder Diffracton Standards (JCPDS), aplicando o programa X´Pert High Score Plus® 2.0.1 da PAN analytical. Os espectros de infravermelho foram obtidos em um espectrofotômetro SHIMADZU, modelo IRprestige-21, usando KBr como agente dispersante. Os espectros foram obtidos nas regiões de 4000 a 400 cm-1 e 1000 a 400 cm-1 para uma melhor resolução dos modos vibracionais característicos das ferrita.

Resultado e discussão

Determinou-se os parâmetros estruturais de todas as amostras através da difratometria de raio X. Os difratogramas das amostras obtidas em função da composição estão dispostos nas Figuras 1. De acordo com a Figura 1, os sólidos ZnGdxFe2,0-xO4 apresentam estruturas cúbicas monofásicas, com características nanométrica como indicado pela ficha padrão JCPDS 01-075-1533 e expressa pela difração no plano (311) como de maior intensidade, característico das estruturas espinélios. Desta forma, o método hidrotermal por micro-ondas mostrou-se eficiente, devido à ausência de possíveis fases secundárias e impurezas, como os óxidos dos metais e/ou hidróxido usado. A Figura 2 mostra os espectros FTIR ao longo do processo de obtenção das ferritas. Observou-se na região próxima a 570 cm-1, modos vibracionais intensos e bem definidos, alusivos à formação das fases espinélios simples. De acordo com Srivastava et al. (2010), os modos vibracionais gerados pelas ligações metal-oxigênio (M-O) são indetificados por volta de 400 e 600 cm-1, sendo tal valor determinado pelo tamanho da ligação Fe3+-O2-, tanto nos sítios octaédrico quanto tetraédrico. Deligoz et al. (2013), Sharifi et al. (2012) e Rana et al. (2010) propõem que os modos vibracionais de íons metálicos bivalentes tetraédricos são encontrados em regiões próximos a 590 - 600 cm-1, enquanto os octaédricos são detectados na região de 400 cm-1. Observou-se através dos espectros, picos nessa região de comprimento de onda, indicando que a estrutura da ferrita apresenta características de acordo com a literatura.

Difratogramas das ferritas ZnGdxFe2-xO4 em função da composição.


Espectros FTIR das ferritas ZnGdxFe2-xO4 após síntese hidrotermal assistida por micro-ondas em função da composição.

Conclusões

Os resultados espectroscópicos e estrutural indicaram que o método hidrotermal assistido por micro-ondas foi capaz de gerar estruturas espinélios ZnGdxFe2-xO4 bem definidas e com característica nanométrica, em baixo custo e tempo operacional demonstrando também que o Gadolínio é uma elemento viável para composição e obtenção de ferritas bem estruturadas.

Agradecimentos

Referências

A. Rana, O.P. Thakur, V. Kumar, Mater. Lett. 65 (2011) 3191.

CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.)
COSTA, A. F. Síntese e caracterização de espinélios a base de Cu, Fe e Cr para pigmentos cerâmicos. Dissertação. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2010.
CULLITY B. D; GRAHAM C. D. Introduction to Magnetic Materials, 2nd edition. Wiley, New Jersey, 550 p., 2009.
DELIGOZ, H., BAYKAL, A., TOPRAK, M. S., TANRIVERDI, E. E., DURMUS, Z., SOZERI, H. Synthesis, structural, magnetic and electrical properties of Co1-xZnxFe2O4 (x = 0,0, 0,2) nanoparticles. Materials Research Bulletin, 48, 2013, 646–654.
FARAZ, A., et al.; Mg0.50Cu0.5-xNixFe2O4 spinel nanoferrites: structural, electrical, magnetic and Y-K angle studies. Journal of Nano Research, 17, 2012, 99 - 114.
H. Rainer, H. Fuess, J. Mater. Chem. 10 (2000) 539.

LIMA, U. R. Otimização da Síntese de Nanoferritas de NiZn dopada com cobre e cobalto. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Ciências Exatas e da Terra. Programa de Pós-Graduação em Química. Natal, 2011.
WAQAS, H.; QURESHI, A. H.; SUBHAN, K.; SHAHZAD, M.. Nanograin Mn–Zn ferrite smartcores to miniaturize electronicdevices. Ceram. Int., 38,1235, 2012.