FILMES FINOS A BASE DE COBALTO OBTIDO VIA TÉCNICA DE SPRAY- PIRÓLISE DEPOSITADOS SOBRE VIDRO SODO - CÁLCICO R. Reolon * ; R.Vieira; C. P. Bergmann Universidade Federal do Rio Grande do Sul Av. Osvaldo Aranha, 99 sala 705C, Porto Alegre-RS 90035-190 *[email protected]RESUMO A técnica química de spray-pirólise consiste em aspergir uma solução precursora sobre um substrato previamente aquecido. Tem sido uma das principais técnicas aplicadas para depositar uma grande variedade de óxidos complexos em baixas temperaturas e tem atraído grande interesse por ser uma técnica de baixo custo, aplicável em grandes áreas e por permitir a obtenção de filmes tanto porosos quanto densos, dependendo do ajuste dos parâmetros. Esse trabalho tem como objetivo obter e caracterizar filmes finos a base de cobalto sobre vidro sodo-cálcico via técnica de spray-pirólise, visando sua aplicação como assistente de catálise em eletrólise da água. Para tanto, soluções precursoras de nitrato de cobalto foram depositadas por spray-pirólise com diferentes concentrações e parâmetros de processo. Esses filmes foram caracterizados quanto à presença de fases cristalinas e constituintes por difração de raio-x, e quanto à sua morfologia por Microscopia Eletrônica de Varredura. Os resultados mostraram uma forte influência da temperatura, relacionada com a natureza do solvente e do substrato, na obtenção de filmes contínuos e com aderência ao substrato. Palavras-chave: óxido de cobalto, filmes finos, spray-pirólise. INTRODUÇÃO O crescente interesse em aplicações de energia solar tem levado ao desenvolvimento de superfícies espectralmente seletivas com a absorvência máxima possível em todo o espectro solar. Entre os óxidos de metais de transição, o óxido de cobalto é um dos óxidos mais estudados devido à sua ampla utilização. Entre as qualidades do oxido de cobalto, estão o seu baixo custo, estabilidade e boa resistência à radiação UV e umidade. O óxido de cobalto possui muitas aplicações industriais, tais como catalisador no processo 57º Congresso Brasileiro de Cerâmica 5º Congresso Iberoamericano de Cerâmica 19 a 22 de maio de 2013, Natal, RN, Brasil 4389
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FILMES ULTRAFINOS A BASE DE COBALTO OBTIDO VIA ......com 6ml de solução precursora a 230 mm de distância do bico aspersor da chapa e numa faixa de temperatura de 200ºC a 210ºC.
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FILMES FINOS A BASE DE COBALTO OBTIDO VIA TÉCNICA DE SPRAY-PIRÓLISE DEPOSITADOS SOBRE VIDRO SODO - CÁLCICO
R. Reolon*; R.Vieira; C. P. Bergmann
Universidade Federal do Rio Grande do Sul Av. Osvaldo Aranha, 99 sala 705C, Porto Alegre-RS 90035-190
*[email protected] RESUMO A técnica química de spray-pirólise consiste em aspergir uma solução precursora sobre um substrato previamente aquecido. Tem sido uma das principais técnicas aplicadas para depositar uma grande variedade de óxidos complexos em baixas temperaturas e tem atraído grande interesse por ser uma técnica de baixo custo, aplicável em grandes áreas e por permitir a obtenção de filmes tanto porosos quanto densos, dependendo do ajuste dos parâmetros. Esse trabalho tem como objetivo obter e caracterizar filmes finos a base de cobalto sobre vidro sodo-cálcico via técnica de spray-pirólise, visando sua aplicação como assistente de catálise em eletrólise da água. Para tanto, soluções precursoras de nitrato de cobalto foram depositadas por spray-pirólise com diferentes concentrações e parâmetros de processo. Esses filmes foram caracterizados quanto à presença de fases cristalinas e constituintes por difração de raio-x, e quanto à sua morfologia por Microscopia Eletrônica de Varredura. Os resultados mostraram uma forte influência da temperatura, relacionada com a natureza do solvente e do substrato, na obtenção de filmes contínuos e com aderência ao substrato. Palavras-chave: óxido de cobalto, filmes finos, spray-pirólise.
INTRODUÇÃO
O crescente interesse em aplicações de energia solar tem levado ao
desenvolvimento de superfícies espectralmente seletivas com a absorvência
máxima possível em todo o espectro solar. Entre os óxidos de metais de
transição, o óxido de cobalto é um dos óxidos mais estudados devido à sua
ampla utilização. Entre as qualidades do oxido de cobalto, estão o seu baixo
custo, estabilidade e boa resistência à radiação UV e umidade. O óxido de
cobalto possui muitas aplicações industriais, tais como catalisador no processo
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de hidrocracking de combustíveis brutos, pigmento para vidros e cerâmicas e
como catalisador em reação de redução de oxigênio. Ele também é largamente
utilizado em sensores eletroquímicos, supercapacitores [1], armazenamento de
íons [2], sensores químicos [3], coletores solares de energia térmica [4] e
dispositivos eletrocrômicos (CE) [5,6]. O óxido de cobalto existe em três fases
distintas, com estequiometria de CoO, Co2O3 e Co3O4 [2], mas a fase cristalina
Co3O4 tem sido amplamente relatada para as aplicações acima mencionadas,
devido à sua estabilidade termodinâmica e propriedades eletroquímicas
desejadas. Entre vários métodos utilizados para a preparação de
filmes/revestimentos de óxido de cobalto, incluem-se eletroprecipitação anódica
[7],eletrodeposição [8], a oxidação de uma fina camada de cobalto [9] e
processo de revestimento por imersão a [10] e spray-pirólise.
Spray-pirólise é uma técnica com a qual se pode obter filmes densos ou
porosos e pós, controlando os parâmetros de deposição. Essa técnica envolve
a atomização da solução precursora que é lançada diretamente em cima do
substrato aquecido onde o filme será formado. A Figura 1 mostra o desenho
esquemático de como ocorre o transporte das gotas até o substrato aquecido
na técnica de Spray-pirólise. Com relação às outras técnicas de obtenção de
filmes, essa técnica apresenta um arranjo experimental simples, além de ser
um método com um custo efetivo relativamente baixo, devido principalmente a
simplicidade dos equipamentos utilizados e pelo fato de não requerer o uso de
reagentes ou substratos de altíssima pureza. A composição dos filmes pode
ser facilmente controlada com os reagentes usados na solução precursora [11].
Diversos tipos de filmes já foram depositados por spray-pirólise e essa técnica
tem sido usada há várias décadas em indústrias de vidros, na produção de
células solares e na produção de eletrodos condutores elétricos [12]. O
equipamento utilizado na técnica de spray-pirólise consiste em um atomizador
e um controlador de temperatura. Existem vários tipos de atomizadores. Os
mais comuns são atomizadores por ar comprimido [13] (quando o spray da
solução precursora é produzido através de um jato de ar), atomizador por
campo elétrico [14] (quando o spray da solução precursora é feito através de
um campo elétrico) e atomizador por ultrassom [15] (quando o spray da
solução precursora é produzido a partir de altas frequências). Quando colidem
contra uma superfície, os átomos perdem energia para esta. Os átomos após o
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impacto podem difundir-se na superfície interagindo com outros átomos
adsorvidos [16].
Figura 1. Desenho esquemático do transporte das gotas até o substrato aquecido [11].
Neste trabalho, os filmes de óxido de cobalto foram obtidos a partir de
uma solução de nitrato de cobalto hexahidratado e água destilada. Esta
solução passou pelo processo de spray-pirólise para dar origem a filmes finos.
EXPERIMENTAL
Materiais
Uma solução contendo nitrato de cobalto hexahidratado e água destilada
foi preparada em diferentes proporções. Esta solução foi misturada com
agitador magnético e posteriormente colocada em ultrassom por alguns
minutos. Foi utilizado como substrato vidro sodocálcico. A solução final foi
aplicada no processo de spray-pirólise imediatamente após o preparo. A Figura
2 apresenta a sequência dos experimentos realizados no escopo deste
trabalho. A Tabela 1 apresenta os dados dos reagentes utilizados no processo
de spray-pirólise investigado neste trabalho.
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Figura 2. Sequência das etapas experimentais do trabalho. (A) Preparo da solução precursora; (B) Spray-pirólise; (C) Filme de óxido de cobalto sob o vidro; (D) Determinação do ângulo de contato; (E) Caracterização por MEV e EDS; (F) Caracterização por ATG e DRX. Tabela 1. Reagentes utilizados, fornecedores e suas funções.
Filmes de óxido de cobalto foram obtidos através da técnica de spray-
pirólise. Os filmes apresentaram-se aderentes e homogêneos para a deposição
na faixa de temperatura de 280°C e 300ºC, e uma distância de aspersão (entre
a ponta do bico d aspersão e a superfície do substrato) de 270 mm. A
espessura do filme depositado para 6 ml de solução aspergida foi de
aproximadamente 1,5 micrômetros. A superfície do filme de óxido de cobalto
obtido apresenta um ângulo de contato menor com a água do que soluções de
fosfato de potássio neutra.
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COBALT ULTRATHIN FILMS OBTAINED BY SPRAY- PYROLYSIS
DEPOSITED ON LAYER CONDUCTIVE OF FLUORINE DOPED TIN OXIDE
ABSTRACT
The chemical technique of spray pyrolysis consists of spraying a precursor solution onto a preheated substrate. It has been one of the main techniques used to deposit a wide variety of complex oxides at relatively low temperatures and has attracted great interest because it is a low cost technique, applicable in large areas and because it allows to obtain films both porous and thick depending on the parameter adjustment. This paper aims to obtain and characterize thin films cobalt-based on conductive layers of tin-doped fluoride via spray pyrolysis to have its application as a catalysis assistant in water electrolysis. For this purpose, precursor solutions of cobalt nitrate were deposited by spray-pyrolysis with different concentrations and process parameters. These films were characterized by the presence of crystalline phases and constituents by X-ray diffraction, and for its morphology by Scanning Electron Microscopy. The results showed a strong influence of temperature, related to the nature of the solvent and substrate in obtaining continuous films and with adhesion to the substrate. Key words: spray pyrolysis, cobalt oxide, thin film.
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