CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E RESPOSTA ELÉTRICA À UMIDADE DE NANOESTRUTURAS (TiO2/WO3)-Nb PREPARADAS POR ELETROFIAÇÃO E SINTERIZAÇÃO

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Materiais

Autores

Leão, V.N.S. (UNIVASF) ; Araújo, E.S. (UNIVASF)

Resumo

A umidade é um parâmetro relevante para se manter a qualidade de bens e produtos. Neste contexto, as nanoestruturas de óxidos metálicos são materiais de grande interesse tecnológico na fabricação de sensores de umidade, visto à sua boa estabilidade química/estrutural e alta relação área superficial/volume. Com base nestes aspectos, este trabalho apresenta uma rota alternativa para a preparação de heteronanoestruturas TiO2/WO3 e TiO2/WO3-Nb para aplicação como sensores de umidade. A caracterização microestrutural dos materiais foi relacionada a resposta elétrica à umidade e os resultados indicaram que os compósitos cerâmicos apresentam boa sensibilidade, com variação de impedância de uma ordem de grandeza na faixa de 0-100 % de umidade relativa.

Palavras chaves

óxidos metálicos; eletrofiação; Sensor de umidade

Introdução

O controle da umidade é crítico para diversos processos produtivos relativos ao armazenamento e transporte de insumos, alimentos, bens e medicamentos. Nanoestruturas cerâmicas de óxidos metálicos são materiais semicondutores de grande interesse tecnológico na fabricação de sensores de umidade por possuírem boa estabilidade química/estrutural, alta relação área superficial/volume e excelentes propriedades elétricas para tal fim. Entre eles, o dióxido de titânio (TiO2) na forma alotrópica anatase é bastante utilizado. Este é não tóxico, com uma alta estabilidade química e uma excelente combinação entre fotoatividade e fotoestabilidade. É conhecido na literatura que a composição TiO2/WO3 (1:1 em mol), na forma de pastilhas volumétricas, garante uma maior condutividade sobre o TiO2 puro, enquanto alguns dopantes retardam a transição de fase termicamente ativada do TiO2 anatase para o rutilo, favorecendo a sensitividade à UR (FAIA et al, p.682, 2016). Uma nova rota de síntese para a preparação de materiais cerâmicos nanoestruturados à base de TiO2 e WO3, dopados com Nb2O5 é proposta. Com o uso da técnica de eletrofiação, busca-se produzir dispositivos sensíveis a umidade com adequada distribuição e interação dos óxidos como meio de ação e assim miniaturizar os sensores, substituindo as tradicionais pastilhas volumétricas, utilizando uma quantidade muito menor de material semicondutor, sem perda de qualidade sensorial (ARAÚJO et al, p. 2710, 2018). Dessa forma, as nanoestruturas cerâmicas heterogêneas de óxidos metálicos (produzidas a partir da sinterização de misturas desses óxidos com ou sem dopantes), produzidas pela técnica de eletrofiação se mostram como potenciais candidatos no desenvolvimento de novos materiais em escala nanométrica que respondem a estimulos aplicados.

Material e métodos

Os materiais poli(metacrilato de ácido metacrílico-metacrilato) (Evonik Industries), dióxido de titânio anatase (TiO2, tamanho da partícula < 150 nm, Sigma Aldrich (Merk)), trióxido de tungstênio monoclínico (WO3, tamanho da partícula < 100 nm, Sigma Aldrich), pentóxido de nióbio (Nb2O5, Sigma Aldrich) e álcool etílico (99%) foram usados como recebidos. Cada amostra para o processo de eletrofiação foi preparada a partir de 0,25 g de cada mistura dos óxidos metálicos (TiO2/WO3 na proporção 1:1 em mol, dopados com 2%, 4% e 6% de Nb2O5) + 2 mL de solução polimérica (1,4 g de EDGT em 6 mL de álcool). Para a preparação dos sensores, os óxidos são encapsulados em micro/nanofibras poliméricas produzidas por eletrofiação com posterior sinterização (500 °C) do material resultante. As propriedades microestruturais dos materiais serão estudadas pelas técnicas de MEV, EDS, DRX e Raman. As diferenças estruturais entre os sensores serão analisadas por técnicas de estatística descritiva e inferencial. A caracterização elétrica foi realizada com amostras que foram testadas de forma pontual, em uma câmara de umidade, nas temperaturas de 20 e 30 °C e com valores de umidade relativa variando de 0 a 100 %. A resposta elétrica dos sensores de umidade foram investigadas usando a técnica de espectroscopia de impedância elétrica como função da umidade relativa. Os espectros de impedância serão obtidos no intervalo de frequências de 400 Hz a 40 MHz. Um estudo quimiométrico também foi realizado para avaliar a importância da temperatura de sinterização, do número de camadas de fibras sobre o eletrodo e da temperatura de trabalho na sensibilidade à umidade dos sistemas TiO2/WO3, com vista ao melhoramento desses parâmetros para a aplicação do sistema dopado (TiO2/WO3)-Nb como sensor de umidade.

Resultado e discussão

Com a caracterização microestrutural, antes da sinterização, verifica-se que o uso da técnica de eletrofiação para produção de fibras para uso como moldes poliméricos é eficiente, promovendo uma distribuição adequada dos óxidos, evitando uma maior agregação das partículas e aumentar a área superficial de ação dessas nanoestruturas. Ainda, após a sinterização, observa-se que não há diferença significativa no formato, tamanho e distribuição dos grãos, retardo na transição de fase do TiO2 anatase para o rutilo, um deslocamento das bandas do TiO2 (redshift) que favorece os processos de condução no material para aplicações como sensores de umidade e, não há formação de solução sólida nos sistemas dopados e sinterizados a 500 °C. A resposta elétrica é dependente dos parâmetros de produção e teste. Todas as configurações apresentaram uma transição do tipo p para o tipo n próximo a 40 %UR e resultados significativos quando comparados a sensores preparado em forma de pastilhas volumétricas. A aplicação do estudo quimiométrico permite com que seja compreendido o impacto de um parâmetro/variável sobre a resposta de interesse, ao mesmo tempo em que desvenda a ocorrência de interações e diminui a complexidade da interpretação dos resultados experimentais. Nota-se que aumento no número de camadas favoreceu positivamente a resposta do sistema e que aumento da temperatura de teste promove uma agitação térmica no sistema que interfere na formação das camadas fisissorvidas e, consequentemente, os processos de condução elétrica no material são menos favorecidos. A temperatura de sinterização diminuiu a sensibilidade à umidade, considerando a combinação dos outros fatores. Em resumo, a configuração de três camadas melhora a sensibilidade à umidade em temperaturas de trabalho mais altas.

Conclusões

A forma e tamanho dos grãos, bem como o método de preparo, foram fatores decisivos para a produção de estruturas com significativa variação de impedância no intervalo entre 40 e 100 % de UR. A sensibilidade à umidade dos sistemas foi diretamente relacionada ao número de camadas de fibras no eletrodo, à temperatura de sinterização e à temperatura de trabalho. Os melhores resultados de sensibilidade à umidade obtidos foram com as amostras sinterizadas a 500 °C e 1 camada. A presença do dopante Nb2O5 melhora a condução e a resposta elétrica do sensor à umidade.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro da Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado da Bahia (FAPESB, Projeto n° 1252/2018)

Referências

ARAÚJO, E. S. et al. Characterization and Electrical Response to Humidity of Sintered Polymeric Electrospun Fibers of Vanadium Oxide-TiO2/WO3. Journal of Electronic Materials, v. 47, n. 5, p. 2710-2717, 2018.
FAIA, P. M.; LIBARDI, J. Response to humidity of TiO2: WO3 sensors doped with V2O5: Influence of fabrication route. Sensors and Actuators B: Chemical, v. 236, 682-700, 2016.