Propriedades estruturais da ferrita do tipo Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Pereira, T.C.M.A. (UFMA) ; Santana, P.Y.C. (UFMA) ; Sinfrônio, F.S.M. (UFMA) ; Barros Filho, A.K.D. (UFMA) ; Santos, C.C. (UFMA)

Resumo

A busca por materiais em escala nanométrica com alta constante dielétrica e capacidade magnética requer o desenvolvimento de novas rotas de síntese. Vários métodos de síntese têm sido aplicados para a obtenção de materiais nanoestruturados em que a técnica via processo hidrotermal assistido por micro-ondas se destaca das demais por associar à escala nano a formação de materiais monofásicos e por permitir a diminuição de custos devido à redução do tempo de síntese. Nesse contexto, o objetivo desse trabalho visa o estudo das características estruturais da ferrita do tipo Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4. Os materiais nanoestruturados a serem sintetizados serão caracterizados via Difração de Raios-X, Espectroscopia Raman e Espectroscopia vibracional na região do Infravermelho por Transformada de Fourier.

Palavras chaves

Ferrita; Nanoestruturados; Estruturais

Introdução

Os materiais cerâmicos apresentam como propriedades intrínsecas uma alta constante dielétrica e baixas perdas dielétricas, tornando-as candidatas para aplicações em dispositivos que necessitem operar em várias faixas de frequência (BERNAL, 2011). Dentre os materiais cerâmicos, os do tipo ferritas são amplamente utilizados em aparelhos de telecomunicação, circuitos de computadores, fontes de potência, supressores de ruídos, gravação magnética e etc. (GOLDMAN, 2006). As ferritas podem ser classificadas quanto sua estrutura cristalina em Espinélio, Granada, Hexagonal e Perovskita. Em relação as estruturas do tipo espinélio, estas apresentam grupo espacial Fd3 ̅m com empacotamento cúbico de face centrada e são tipicamente expressas na forma AB2O4, na qual A e B representam cátions divalentes e trivalentes, respectivamente, os quais são distribuídos nos sítios tetraédricos e octaédricos. Diversos métodos químicos de síntese podem ser aplicados para a obtenção de materiais nanoestruturados, como: combustão, sol-gel, co-precipitação, decomposição térmica e síntese hidrotermal e hidrotermal assistido por micro-ondas (SORRENTINO, 2016). O método hidrotermal assistido por micro- ondas se destaca por permitir a obtenção de materiais dentro da escala nanométrica de forma monofásica além de reduzir custos de operação devido ao encurtamento do tempo de reação (MELO, 2014). Desta forma, o presente trabalho visa sintetizar ferrita do tipo Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4 pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas. Posteriormente, caracterizados pelas técnicas de Difração de Raios X (DRX), Espectroscopia Raman e Espectroscopia infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR).

Material e métodos

A ferrita foi obtida Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4 pelo método hidrotermal assistido por radiação de micro-ondas e aquecimento dielétrico. Para tanto foram preparadas soluções aquosas dos sais de Níquel, Zinco, Cobalto e Ferro com concentração 0,05 mol.L-1. Em seguida, tais soluções foram misturadas em obediência a estequiometria. Tal mistura foi então transferida para um recipiente de teflon, vaso do reator, onde seu pH foi elevado à aproximadamente 13, através da adição de solução aquosa de NaOH (2,00 mol.L- 1). A mistura reacional foi levada ao Reator Hidrotermal de Micro-ondas SynthWave, marca Milestone, tratada a 250 °C, por um tempo de reação de 30 minutos, potência de 1200 com razão de aquecimento de 10 °C.min-1. Após o processo de síntese, o precipitado foi separado através de filtração simples e o pó obtido lavado diversas vezes com água deionizada até pH 7,0. Por fim, o pó precursor secou em estufa a 100 °C e posteriormente macerado em almofariz de ágata. Os ensaios cristalográficos foram realizados num difratômetro de policristais de 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. Medidas de espalhamento Raman foram obtidos utilizando- se o T64000, espectrômetro da Horiba Jobin Yvon, em temperatura ambiente, acoplado a um microscópio Olympus modelo BX-41 com lente objetiva de 100x. Os espectros foram obtidos na região de 100 a 900 cm-1. Os espectros vibracionais de infravermelho foram obtidos em um espectrofotômetro SHIMADZU, modelo IRprestige-21, usando KBr como agente dispersante. Os espectros foram obtidos nas regiões de 4000 - 400 cm-1 e 1000 - 400 cm-1, com intuito de observar a possível ocorrência de fases orgânicas e a estruturação/formação da fase espinélio, respectivamente.

Resultado e discussão

As características estruturais da ferrita Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4 foram determinadas pela análise do DRX, sendo uma estrutura do tipo espinélio, monofásica, cúbica de face centrada (CFC) de grupo espacial Fd3 ̅m. Os picos do difratograma foram indexados através da ficha catalográfica JCPDS 00-001- 1121. O difratograma foi tratado utilizando a técnica de refinamento matemático Rietveld e extraiu-se informações acerca dos parâmetros da estrutura cristalina obtida, tais como parâmetros de rede (8.38 Å), tamanho de cristalito (7,57 nm) e micro deformação (0,002). Como pode ser observado na figura 1, o experimental apresenta apenas os picos constantes no padrão observado para o espinélio de ferritas e uma boa cobertura dos picos, respeitando os posicionamentos e alargamentos basais. A ferrita Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4 apresenta 5 modos vibracionais ativos característicos preditos pela Teoria de Grupos: o modo de alongamento totalmente simétrico A1g, o modo alongado duplo gerado Eg e três modos duplos degenerados T2g. Estes são de primeira ordem e são identificadas em condições ambiente de aferição. A figura 2 mostra o espectro Raman e as cinco bandas em torno de 171, 303, 464, 611 e 674 cm-1, correspondente a T2g1,Eg,T2g2,T2g3 e A1g. Na análise do FTIR, dois dos 4 modos vibracionais T1u são modos ativos identificados pelo Infravermelho e podem ser detectados entre a faixa 600 – 400 cm-1 ocasionado ao movimento dos íons de oxigênio O2- no sítio tetraédrico (v1, v2). Os outros dois modos vibracionais estão associados aos íons metálicos divalentes com os íons de oxigênio referem-se ao sítio octaédrico (v3) e a vibração da rede cristalina (v4), estas não puderam ser identificadas, pois estão localizadas no intervalo de 300 – 400 cm-1.

Refinamento Rietveld da ferrita Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4


Espectro Raman da ferrita Ni0,1Co0,4Zn0,5Fe2O4

Conclusões

A análise do DRX revelou que o método foi capaz de produzir ferrita monofásica e nanométrica do tipo espinélio, de grupo espacial Fd3 ̅m, com a presença do pico característico de maior intensidade (311). No espectro Raman pode-se identificar os cincos modos ativos e a FTIR apresentou os modos vibracionais correspondentes às vibrações intrínsecas das ligações do cátion metálico com o oxigênio nos sítios tetraédricos e octaédricos. Comprovando, assim, que a estrutura de espinélio parcialmente inversa e as interações entre os átomos nos sítios A e B na rede cristalina condizem ao grupo Fd3 ̅m.

Agradecimentos

Central de Energia e Ambiente, LEVI, CAPES, FAPEMA e UFMA

Referências

BERNAL, J. I. M. “Dispositivos de microondas utilizando filmes de alta constante dielétrica”. Tese (doutorado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica, 2011.
GOLDMAN, A. “Modern Ferrite Technology – Second Edition”. Springer. Pittsburg, PA, USA, 2006.
SORRENTINO NETO, A. “Síntese, caracterização e propriedades magnéticas de Ferritas de Níquel-Cobre”. Dissertação (Mestrado). Programa de Pós-graduação em Química – Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa – PB, 2016.
MELO, R. S. “Propriedades magnéticas de ferritas do tipo AFe2O4 (A = Co2+, Ni2+, Cu2+ e Zn2+) obtidas pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas”. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Maranhão, Programa de Pós-graduação em Química, 2014.