Caracterização estrutural de nanopartículas de ferrita de níquel

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Química Inorgânica

Autores

Fracari, T. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; Arguello, J. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; Lazzari, N. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; Lavayen, V. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL)

Resumo

Neste estudo apresenta-se a caracterização estrutural de nanopartículas de ferrita de níquel realizada mediante microscopia eletrônica de varredura, difração de raios-X, espectroscopia de absorção eletrônica e espectroscopia no infravermelho. O material granular de coloração escura apresenta um tamanho de partícula de 15 nm. Difração de raios-X revela que as nanopartículas possuem estrutura cúbica de espinélio inverso. Nos espectros de infravermelho observa- se a presença de modos ativos de estiramento Fe-O relacionados aos sítios tetraédrico e octaédrico. Finalmente, a partir do espectro de absorção em estado sólido, foi calculado um valor do 2,4 eV, relacionado ao gap óptico do material particulado.

Palavras chaves

nanopartículas; ferrita de níquel; caracterização estrutural

Introdução

Atualmente a área de nanomateriais está consolidada, atraindo o interesse de pesquisadores de diversos campos da ciência. Esses materiais são promissores para aplicações em novos dispositivos eletrônicos, ópticos e magnéticos devido ao efeito de tamanho quântico presente neles (PUNTES et al, p. 291, 2001; IWAMOTO et al, p. 143, 2010). Por outro lado, está cada vez mais desafiador sintetizar nanomateriais com uniformidade e estreita distribuição de tamanho empregando rotas baseadas em nanotecnologia, principalmente quando se utiliza a abordagem de síntese de-baixo-para-cima. Além disso, quando se trabalha com materiais de dimensão na ordem dos nanômetros, toma relevância o controle do tamanho, área superficial e homogeneidade, pois essas características influenciam diretamente em suas propriedades, sendo fatores cruciais para seu desempenho em potenciais aplicações (CARTA et al, p. 15623, 2008). Os métodos de síntese mais utilizados para a obtenção de nanopartículas (NPs) são o hidrotérmico, de precipitação, de combustão e sol-gel. Essas metodologias envolvem o uso de estabilizadores orgânicos, os quais tem a função de proteção e estabilização das estruturas (IWAMOTO et al, p. 143, 2010). As ferritas são óxidos mistos que apresentam estrutura de espinélio ou espinélio inverso, dependendo dos cátions envolvidos. Os espinélios são formados por um arranjo cúbico de face centrada (cfc) de íons óxido, em que os metais ocupam os seus interstícios, sendo que um deles possui geometria tetraédrica e o outro octaédrica. Sua fórmula geral é A²⁺ [B³⁺₂]O₄, onde A²⁺ pode ser um metal do grupo IIA ou um metal de transição com estado de oxidação 2+, e B³⁺ um metal do grupo IIIA ou um metal de transição com estado de oxidação 3+. Já para o espinélio inverso a fórmula geral é B³⁺[A²⁺B³⁺]O₄. (COTTON et al, p. 200, 1985). O estudo e produção de nanopartículas de ferritas está em constante desenvolvimento devido as suas aplicações atuais em biomedicina, dispositivos de memória magnética, entre outros (AL-SAYED et al, p. 1486, 2015). Entre elas, a ferrita de níquel (NiFe₂O₄, NFO) destaca-se por suas propriedades de alta resistividade elétrica e coercividade (MAAZ et al, p. 1838, 2009). Neste trabalho, apresenta-se o estudo e caracterização estrutural de nanopartículas de óxido de ferro contendo níquel, que foram sintetizadas através do método de precipitação. Visando a elucidação estrutural, a caracterização foi realizada mediante difração de raios-X, espectroscopia no infravermelho, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de absorção eletrônica.

Material e métodos

Neste trabalho foi usado o método de precipitação previamente descrito por Muneeswaran e colaboradores (MUNEESWARAN et al, p. 341, 2013), onde sais dos precursores metálicos, ferro e níquel, foram adicionados a uma solução aquosa sob agitação, de acordo com a proporção estequiométrica desejada. As estruturas resultantes foram calcinadas em forno mufla a alta temperatura. A morfologia das amostras sintetizadas foi investigada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) usando o instrumento JEOL JSM-6060 operado a 20kV. O padrão de difração de raios-X (DRX) foi investigado com um equipamento Rigaku Dengi D-Max 2000. O espectro de infravermelho (FTIR) foi obtido usando um Espectrofotômetro, modelo Varian 640-IR. Os espectros de Uv-Vis foram obtidos usando um equipamento Shimadzu, modelo UV1601PC.

Resultado e discussão

A análise por microscopia eletrônica de varredura mostrou a formação de material granular, conforme Figura 1. A contagem das nanopartículas apresentou o tamanho médio de 15 nm. O padrão de difração mostra a presença de uma estrutura cúbica de espinélio inverso, semelhante a da magnetita (Fe₃O₄). No entanto, neste caso o níquel está presente no sítio tetraédrico e o ferro ocupa ambas as geometrias de coordenação, tetraédrica e octaédrica (Fe[NiFe]O₄). Utilizando a relação de Debye-Scherrer foi calculado o tamanho da partícula, apresentando um valor de 14 nm. O parâmetro de rede foi estimado em 8,32 Å, o qual fica próximo ao valor teórico do NiFe₂O₄, que é de 8,262 Å (KUMAR et al, p. 492, 2016). Os espectros de infravermelho mostraram a presença das bandas principais em 618 cm^-1 e 417 cm^-1, as quais correspondem aos modos vibracionais de estiramento do metal no sítio tetraédrico (Mt-O) e octaédrico (Mo-O), respectivamente. A partir da análise do espectro de absorção da amostra nanoparticulada, veja-se Figura 2, foi calculado o valor de 2,4 eV para a banda de gap óptico. Este resultado apresenta uma diferença de 0,2 eV em relação aos valores da literatura, que pode ser atribuída a uma pequena sobreposição entre os estados que definem o gap óptico.

Figura 1. Imagem de microscopia eletrônica de varredura das nanopartículas sintetizadas.


Figura 2. Espectro de absorção na região de 1,6 eV - 3,5 eV.

Conclusões

Em suma, apresentou-se a caracterização do material nanoparticulado de 15 nm com composição relacionada a ferrita de níquel, NiFe2O4, que apresenta um parâmetro de rede próximo ao seu valor teórico. O espectro de infravermelho mostrou os modos vibracionais característicos da estrutura do NFO. Finalmente, o valor de 2,4 eV da banda proibida, obtido a partir do espectro de absorção, é relacionado ao de um material semicondutor.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq, IQ/UFRGS e CNANO/UFRGS pelo apoio institucional e financeiro. N. L. agradece o apoio financeiro do INCT-Bio.

Referências

AL-SAYED, A. B.; YASSER, M. M.; EMAN, A. M.; MOHAMED, M. Y.; MOSTAFA, M. H. K. Removal of ferrous ions from their aqueous solutions onto NiFe2O4–alginate composite beads. Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 3, p. 1486-1496, 2015.
CARTA, D.; LOCHE, D.; MOUNTJOY, G.; NAVARRA, G.; CORRIAS, A. NiFe2O4 Nanoparticles Dispersed in an Aerogel Silica Matrix: An X-ray Absorption Study. Journal of Physical Chemistry, vol. 112, p. 15623-15630, 2008.
COTTON, F. A., WILKINSON, G. Química Inorgânica Básica. Rio Janeiro: LTC, 1978.
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PUNTES, V. F.; KRISHNAN, K. M.; ALIVISATOS, A. P. Colloidal nanocrystal shape and size control: the case of cobalt. Science, vol. 291, p. 2115-2117, 2001.