Caracterização estrutural, textural e morfológica de aluminato de lítio (LiAlO2) sintetizado por coprecipitação

Structural, textural and morphological characterization of lithium aluminate (LiAlO2) synthesized by coprecipitation

Caracterização estrutural, textural e morfológica de aluminato de lítio (LiAlO₂) sintetizado por coprecipitação

Structural, textural and morphological characterization of lithium aluminate (LiAlO₂) synthesized by coprecipitation

A. C. Nascimento; N. D. S. Mohallem

Laboratório de Materiais Nanoestruturados, Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG, Av. Antônio Carlos, 6627, Belo Horizonte, MG, Brasil 31270-901 [e-mail], [e-mail]

RESUMO

Aluminato de lítio (LiAlO₂) foi sintetizado por coprecipitação. O material foi calcinado em diferentes temperaturas e caracterizado por difração de raios X, espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier, adsorção gasosa, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET), possibilitando sua caracterização estrutural, morfológica e textural. Diferentes fases cristalinas foram observadas à medida que a temperatura foi elevada de 550 para 1150 ºC. Texturalmente o material foi classificado como não-poroso e particulado a 550 e 750 ºC, apresentando microporos a 950 ºC. Análises comparativas de imagens de MET e MEV possibilitaram a identificação nanoflocos e microfolhas como as principais morfologias presentes no material.

Palavras-chave: coprecipitação, aluminato de lítio, calcinação.

ABSTRACT

Lithium aluminate (LiAlO₂) was synthesized by coprecipitation. The material was calcined at different temperatures and characterized by X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, gas adsorption, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), providing a structural, morphological and textural characterization. Different crystalline phases were observed as the temperature was raised from 550 to 1150 ºC. Texturally, the material was classified as non-porous and particulate at 550 and 750 ºC showing micropores at 950 ºC. Comparative analysis of TEM and SEM images allowed the identification of nanoflakes and microsheets as the main morphology present in the material.

Keywords: coprecipitation, lithium aluminate, calcination.

INTRODUÇÃO

O aluminato de lítio (LiAlO₂) tem sido usado em reatores de fusão nuclear como produtor de trítio [1] em catodos de baterias a base de lítio [2], como substrato para filmes finos de semicondutores como InN [3] e GaN [4, 5] e como matriz cerâmica inerte em eletrólitos de células a combustível de carbonato fundido (MCFC) [6, 7]. Este material apresenta três formas alotrópicas principais: α-LiAlO₂, β-LiAlO₂ e γ-LiAlO₂. Inicialmente o LiAlO₂ foi preparado pelo método de reação no estado sólido, onde uma mistura de precursores como Al₂(CO₃)₃ e Li₂CO₃ [8], γ-Al₂O₃ e Li₂CO₃ [9], entre outros compostos, são calcinados a altas temperaturas, que podem variar de 370 ºC a temperaturas superiores a 1000 ºC [10]. Entretanto, a evaporação parcial do lítio pela elevação da temperatura e possíveis contaminações que ocorrem durante os processos de moagem, são fatores que dificultam a utilização do método [10].

O processo sol-gel [10, 11] leva vantagem sobre a reação no estado sólido devido às baixas temperaturas de síntese, maior pureza dos reagentes (geralmente alcóxidos de lítio e de alumínio), além de permitir uma maior homogeneidade por parte dos mesmos durante a reação [12]. No entanto, apresenta dificuldades como: solubilidade limitada dos alcóxidos, alto custo dos reagentes, dificuldades na remoção de resíduos orgânicos, e toxicidade das soluções [12, 13]. Outro processo de obtenção deste material, que tem se mostrado promissor devido principalmente ao seu baixo custo e baixas temperaturas de síntese, é a coprecipitação. Nele, soluções aquosas de dois sais solúveis de lítio e alumínio (nitratos, acetatos entre outros) [10] são misturadas e após a adição de um agente precipitante obtêm-se um precipitado que é lavado, seco e posteriormente calcinado produzindo o LiAlO₂ em diferentes fases, dependendo da temperatura de calcinação [14, 15].

Neste trabalho, o aluminato de lítio foi preparado por coprecipitação, empregando nitratos de alumínio e lítio. A caracterização estrutural, textural e morfológica do material foi realizada levando-se em consideração a temperatura de calcinação.

EXPERIMENTAL

Na síntese por coprecipitação, soluções aquosas de Al(NO₃)₃.9H₂O (Synth) e LiNO₃ (Synth) foram misturadas e a mistura agitada por 1 h a 80 ºC. A razão molar Al:Li:OH empregada foi de 1:4:4. Em seguida, foi adicionada à mistura uma solução de NaOH formando um precipitado branco. O precipitado foi lavado com água destilada e etanol e seco a 110 ºC. O pó obtido foi calcinado a 550, 750, 950 e 1150 ºC. Na caracterização estrutural das amostras foram feitas análises de difração de raios X (DRX) e espectroscopia na região do infravermelho (FTIR). Análises de DRX foram realizadas em um difratômetro Rigaku Geigerflex 3034 com radiação Cukα. Espectros vibracionais na região do infravermelho (FTIR) foram obtidos em um espectrômetro Perkin-Elmer BX. As amostras foram preparadas em pastilhas de KBr anidro. A caracterização textural das amostras foi feita por medidas de adsorção gasosa em um equipamento Autsorb Quantachrome. Elas foram desgaseificadas por 1 h a 200 ºC e submetidas a um ciclo com 44 pontos, sendo 25 de adsorção e 19 de dessorção. Nitrogênio (N₂) foi o gás usado como adsorbato. Os dados obtidos foram tratados, fornecendo valores de área superficial específica (A_BET), área superficial externa (A_e.) e área superficial interna (A_i). A morfologia do material foi investigada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). As análises de MEV foram realizadas em um microscópio eletrônico Quanta 200 FEG-FEI sob condições de baixo vácuo (pressão 0,08 torr), tensão de aceleração 20 kV e corrente 10 nA. A amostra pulverizada foi colocada sobre fitas de carbono aderidas a "stubs" e em seguida analisadas. Nas análises de MET as amostras foram ultrasonificadas por 30 min em isopropanol (C₃H₇OH) e parte do sobrenadante gotejado em grades de cobre. Após a evaporação do álcool, as grades foram acondicionadas em um microscópio FEI Tecnai G2 Spirit com tensão de aceleração 120 kV.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Fig. 1 mostra difratogramas de raios X onde são observadas diversas fases cristalinas.

No difratograma (a) foram caracterizadas as fases NaNO₃ (ver seta), α-LiAlO₂, β-LiAlO₂ e LiAl₂(OH)₇.2H₂O. Esta última é formada durante o processo de coprecipitação pela reação entre a hidroxila (OH^-), oriunda do agente precipitante, e cátions Li⁺ e Al³⁺ provenientes dos sais de Li e Al, além de moléculas de H₂O. O NaNO₃ é produto da reação entre os ânions NO₃^- (provenientes do LiNO₃ e Al(NO₃)₃.9H₂O) e cátions Na⁺ (originados do NaOH). Em (b) são observadas as mesmas fases vistas em (a) com exceção do NaNO₃. Em (c) a presença da fase γ-LiAlO₂ indica que entre 750 e 950 ºC ocorreram transformações α → γ-LiAlO₂ e β → γ-LiAlO₂ [16], além da formação da fase LiAl₅O₈ associada à perda de lítio por sublimação [17]. Além disso, houve formação de Li₂AL₂O₄.xH₂O devido à decomposição térmica do LiAl₂(OH)₇.2H₂O. Em (d) foram caracterizadas as mesmas fases de (c). No entanto, apenas traços do Li₂AL₂O₄.xH₂O são observados, efeito da elevada temperatura de calcinação. A Tabela I resume as principais fases cristalinas identificadas na amostra calcinada entre 550 e 1150 ºC.

Os espectros vibracionais na região do infravermelho são mostrados na Fig. 2.

pode ser vista uma banda relacionada ao íon nitrato (NO₃^-), presente em todos os demais espetros, se tornando mais fraca com o aumento da temperatura [9, 18] além de outra associada ao LiAl₂(OH)₇.2H₂O. Bandas características da fase α-LiAlO₂ e β-LiAlO₂ também estão presentes. Todas estas fases foram caracterizadas por difração de raios X. O espectro (b) é semelhante ao anterior, exceto por não serem observadas bandas referentes à fase LiAl₂(OH)₇.2H₂O, podendo indicar redução de sua concentração na amostra. Nos espectros (c) e (d) são vistas bandas da fase γ-LiAlO₂ [19], confirmando a conversão das fases α e β-LiAlO₂ em γ-LiAlO₂ entre 750 e 950 ºC. Neles são observadas também bandas da fase LiAl₅O₈ [13]. Uma única banda associada à fase Li₂AL₂O₄.xH₂O é observada em (c). Em (d) esta banda desaparece indicando redução de sua concentração, conforme visto por difração de raios X.

Isotermas de adsorção-dessorção da amostra são mostradas na Fig. 3.

As isotermas (a) e (b) são classificadas como do Tipo II, características de materiais não-porosos [20] e particulados [21]. No entanto, a isoterma (c) pode ser classificada como mista, do Tipo I e II [20], devido à presença de microporos. Um aumento na quantidade máxima de gás adsorvido entre 550 e 750 ºC indica que neste intervalo de temperatura há uma maior liberação de resíduos de síntese desobstruindo interstícios e/ou poros presentes no material. Entre 750 e 950 ºC há redução na quantidade máxima de gás adsorvido devido a fenômenos de aglomeração das partículas.

A Tabela II resume valores de algumas variáveis texturais obtidas.

Observa-se um aumento de A_BET entre 550 e 750 ºC devido à saída de resíduos de síntese, efeito confirmado pelo aumento do volume de gás adsorvido entre as isotermas (a) e (b) da Fig 3. Nestas duas temperaturas não houve formação de microporos (valores de A_i igual a zero). A 950 ºC houve diminuição de A_BET, resultado confirmado pela redução de gás adsorvido entre as isotermas (b) e (c), indicando processo de aglomeração das partículas. O valor de A_i nesta temperatura está associado à formação de microporos [22]. A 1150 ºC não foi possível a caracterização morfológica do material provavelmente devido a uma elevada aglomeração das partículas. Foram encontrados pós de LiAlO₂ comerciais com área superficial de 10 m².g^-1, porém a temperatura de calcinação e o método de síntese não foram relatados [23]. Foram usados três métodos de síntese para obtenção do LiAlO₂, tais como rota citrato, processo Pechini e um processo, que segundo os autores, é semelhante ao processo citrato, porém com adição do álcool polivinílico [12]. A área superficial dos pós calcinados a 900 ºC por 2 h foi de ~ 15 m².g^-1. Todos os valores de A_BET da Tabela II são superiores. LiAlO₂ foi sintetizado por coprecipitação na ausência de surfactantes [10]. A área superficial encontrada foi 23 m².g^-1. Os valores de A_BET desta tabela são próximos ao reportado [10] a 550 e 950 ºC e bastante superior a 750 ºC.

Nas Figs. 4 e 5 são vistas imagens de MET e MEV para a amostra calcinada a 550, 750, 950 e 1150 ºC.

Na Fig. 4 observam-se partículas primárias, como os aglomerados de nanoflocos vistos em (a) e (e) e partículas secundárias como as microfolhas das imagens (b) e (f). As partículas secundárias vistas em (c) e (g) são formadas por aglomerados de nanoflocos, como indicam as setas entre as imagens (a-c) e (e-g). Em (d) e (h) são vistos aglomerados de microfolhas como indicado pelas setas entre (b-d) e (f-h). Pelas imagens de MET e MEV não foi possível correlacionar o aumento de A_BET verificado entre 550 e 750 ºC (ver Tabela II), com variações morfológicas das partículas do material. Na imagem (a) da Fig. 5 é observado um aglomerado de nanoflocos, porém estas partículas estão mais juntas que as vistas nas imagens (a) e (e) da Fig. 4, corroborando resultados de redução de A_BET entre 750 e 950 ºC (ver Tabela II). Microfolhas são observadas em (b), (e) e (f). Em (c) e (d) pode-se observar aglomerados de nanoflocos e microfolhas, respectivamente [ver setas entre (a-c) e (b-d)]. A 1150 ºC os nanoflocos não foram mais detectados indicando que em temperaturas muito elevadas há modificações morfológicas na amostra. Isto pode ter impedido a realização de análise de adsorção gasosa nesta temperatura. Em (g) vê-se um agregado de nanoflocos, pois suas partículas formadoras não se deprenderam durante a utrasonificção, indicando que a força de interação entre os nanoflocos é forte formando agregados. Em (h) um aglomerado de microfolhas é observado, como indicam as setas entre (e-h) e (f-h). Ao se comparar as imagens (d) e (h), observa-se uma maior aglomeração das microfolhas comprovando o efeito de elevação da temperatura sobre a morfologia do material.

A caracterização morfológica da amostra por MET e MEV mostrou morfologias denominadas nanoflocos [24] e microfolhas [25], além de aglomerados e agregados de nanoflocos. Aglomerados são partículas fracamente ligadas sob ação de forças de van der Waals enquanto os agregados são partículas fortemente ligadas [26]. O esquema da Fig. 6 resume a formação de microfolhas e aglomerados ou agregados de nanoflocos (partículas secundárias) a partir de nanoflocos (partículas primárias).

As microfolhas e agregados de nanoflocos, estes últimos caracterizados somente a 1150 ºC, não foram desintegrados em suas partículas primárias (nanoflocos) durante a ultrasonificação do material, indicando que a interação entre elas são fortes formando agregados. Nos aglomerados de nanoflocos houve desprendimento de nanoflocos durante a ultrasonificação, indicando que a força de interação entre eles são fracas. É importante ressaltar que os aglomerados de microfolhas não são partículas secundárias, mas apenas formados pela aglomeração de microfolhas.

CONCLUSÕES

Caracterizações estruturais, texturais e morfológicas de um aluminato de lítio obtido por coprecipitação foram realizadas. Resultados de DRX e FTIR mostraram que as fases α-LiAlO₂, β-LiAlO₂, e γ-LiAlO₂ foram obtidas pela calcinação da amostra. Medidas de adsorção gasosa indicaram que o material é não-poroso e particulado, além de apresentar microporos a 950 ºC. Provavelmente estes microporos foram formados pela maior aglomeração de microfolhas e nanoflocos principalmente acima de 750 ºC. Valores de área superficial específica foram satisfatórios, considerando-se a simplicidade do processo de síntese sem utilização de moldes (templates) ou surfactantes. A caracterização morfológica, através de imagens de MET e MEV, possibilitou a identificação de partículas primárias e secundárias, além de permitir a verificação de mudanças morfologias entre 950 e 1150 ºC que tiveram influência nas propriedades texturais da amostra.

AGRADECIMENTOS

À CAPES, à FAPEMIG e ao CNPq pelo apoio financeiro e ao Centro de Microscopia da UFMG por ter disponibilizado a utilização de sua infraestrutura.

(Rec. 16/09/2011, Rev. 25/11/2011, Ac. 21/01/2012)

• [1] M. Übeyli, J. Fusion Energy 25(2006)99.
• [2] Y. Jeon, S. Kim, Y. Kim, D. Won, B. Kim, K. No, J. Electroceram. 17(2006)667.
• [3] D. Fu, R. Zhang, B. Liu, Z. L. Xie, X. Q. Xiu, S. L. Gu, H. Lu, Y. D. Zheng, Y. H. Chen, Z. G. Wang, J. Phys. D: Appl. Phys. 44(2011)1.
• [4] R. R. Vanfleet, J. A. Simmons, D. W. Hill, M. M. C. Chou, B. H. Chai, J. Appl. Phys. 104(2008)1.
• [5] M. M. C. Chou, D. R. Hang, L. Chang, C. Chen, W. F. Yang, C. A. Li, J. J. Wu, J. Appl. Phys. 107(2010)1.
• [6] J. E. Kim, J. Han, S. P. Yoon, S. W. Nam, T. H. Lim, H. Kim, Curr. Appl. Phys. 10(2010)573.
• [7] M. Kawase, K. Asano, H. Murata, Y. Mugikura, T. Watanabe, Y. Ito, J. Appl. Electrochem. 32(2002)185.
• [8] K. Kinoshita, J. W. Sim, J. P. Ackerman, Mater. Res. Bull. 13(1978)445.
• [9] R. N. Singh, J. T. Dusek, J. W. Sim, Am. Ceram. Soc. Bull. 60(1981)629.
• [10] R. B. Khomane, A. Agrawal, B. D. Kulkarni, Mater. Lett. 61(2007)4540.
• [11] S. W. Kwon, S. B. Park, J. Nucl. Mater. 131(1997)246.
• [12] S. W. Kwon, S. B. Park, G. Seo, S. T. Hwang, J. Nucl. Mater. 257(1998)172.
• [13] F. Li, K. Hu, J. Li, D. Zhang, G. Chen, J. Nucl. Mater. 300(2002)82.
• [14] R. A. Ribeiro, N. D. S. Mohallem, Quim. Nova 24(2001)773.
• [15] S. Sokolov, A. Stein, Mater. Lett. 57(2003)3593.
• [16] R. A. Ribeiro, "Preparação e propriedades de pós cerâmicos e seus compósitos com eletrólitos poliméricos", Tese Dr., UFMG (2000).
• [17] B. Veličkov, A. Mogilatenko, R. Bertram, D. Klimm, R. Uecker, W. Neumann, R. Fornari, J. Crystal Growth 310(2008)214.
• [18] D. Pan, D. Yuan, H. Sun, X. Duan, C. Luan, S. Guo, Z. Li, L. Wang, Mater. Chem. Phys. 96(2006)317.
• [19] F. Oksuzomer, S. N. Koc, I. Boz, M. A. Gurkaynak, Mater. Res. Bull. 39(2004)715.
• [20] S. Lowell, J. E. Shields, Powder Surface Area and Porosity, 3^rd Ed., Chapman & Hall, Londres, Inglaterra (1991).
• [21] S. J. Gregg, K. S. W. Sing, Adsorption, surface area and porosity, 2^nd Ed., London, Inglaterra (1982).
• [22] R. M. A. Cessa, L. Celi, A. C. T. Vitorino, J. O. Novelino, E. Barberis, Rev. Bras. Ci. Solo 33(2009)1153.
• [23] E. Bergaglio, A. Sabattini, P. Capobianco, J. Power Sources 149(2005)63.
• [24] Z. Tang, L. Hu, Z. Zhang, J. Li, S. Luo, Mater. Lett. 61(2007)570.
• [25] L. Hu, Z. Tang, Z. Zhang, Mater. Lett. 62(2008)2039.
• [26] A. Balakrishnan, P. Pizette, C. L. Martin, S. V. Joshi, B. P. Saha, Acta Mater. 58(2010)802.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  23 Jan 2013
• Data do Fascículo
  Dez 2012

Histórico

• Recebido
  16 Set 2011
• Aceito
  21 Jan 2012
• Revisado
  25 Nov 2011