Síntese e caracterização de nanopartículas de TiO2

Synthesis and characterization of TiO2 nanoparticles

Síntese e caracterização de nanopartículas de TiO₂

Synthesis and characterization of TiO₂ nanoparticles

A. C. F. M. Costa^I; M. A. Vilar^I; H. L. Lira^I; R. H. G. A. Kiminami^II; L. Gama^I

^IDepartamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande, PB 58109-970

^IIDepartamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de S. Carlos, C.P. 676 S. Carlos, SP 13565-905 [e-mail], [e-mail]

RESUMO

Vários métodos de síntese química têm sido desenvolvidos e utilizados na obtenção de pós para fabricação de membranas cerâmicas. Dentre os métodos alternativos utilizados em escala de laboratório, o método Pechini tem sido empregado com sucesso para a obtenção de diversos tipos de materiais. Este trabalho tem como objetivo sintetizar e caracterizar nanopós de TiO₂ obtidos por este método, visando à preparação de membranas cerâmicas de ultrafiltração. Os pós resultantes foram caracterizados por análise térmica gravimétrica e diferencial, difração de raios X, espectrofotometria de absorção no infravermelho, adsorção de nitrogênio e microscopia eletrônica de varredura. A análise de difração de raios X do pó mostrou a presença da fase cristalina anatásio, com tamanho de cristalito 15 nm. O tamanho de partículas calculado a partir da área superficial pelo método BET foi 19 nm e a morfologia apresentou-se constituída de nanopartículas e presença de aglomerados moles. Os resultados evidenciam que o método Pechini é promissor para produção de TiO₂ nanométrico, adequado para a preparação de membranas cerâmicas.

Palavras-chave: TiO₂, nanopartículas, síntese de pós.

ABSTRACT

Several methods of chemical synthesis have been developed and used to obtain powder for production of ceramic membranes. Amongst the alternative methods used in laboratory scale, the Pechini method has been used successfully for the preparation of several types of materials. The objective of this work is to synthesize and characterize TiO₂ powders obtained by this method, aiming the preparation of ultra-filtration ceramic membranes. The powder has been characterized by gravimetric and differential thermal analysis, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, nitrogen adsorption by BET, and scanning electron microscopy. The X-ray diffraction of the powders showed the presence of the anatase crystalline phase, with crystallite size 15 nm. The particle size calculated from the surface area was 19 nm and the powder morphology shows the presence of soft agglomerates. These results evidence that the Pechini method is interesting for the production of nanometric TiO₂ appropriate for ceramic membranes preparation.

Keywords: Pechini method, TiO₂, nanoparticles.

INTRODUÇÃO

O óxido de titânio é um polimorfo. Existe em três fases: rutilo (tetragonal), anatásio (tetragonal) e bruquita (ortorrômbico). Geralmente a fase bruquita é instável e de baixo interesse. A fase rutilo é formada em altas temperaturas (> 1000 ºC), mas já a fase anatásio é formada a partir de baixas temperaturas (cerca de 450 ºC) [1]. O TiO₂ por ser um material atóxico e quimicamente inerte, vem sendo usado em várias aplicações industriais, tais como pigmento branco, sensor de gás, protetores de corrosão e camadas ópticas [2], células solares [3], purificação de meio ambiente [4], em dielétricos de elevadas constantes e altas resistências elétricas [5-9], na decomposição do gás carbônico e, devido a suas atividades catalíticas, é usado na geração de gás hidrogênio [10]. Suas propriedades tornam-se superiores se apresentar alta área superfícial, tamanho de partículas em escala nanométrica, alta homogeneidade e fase com composição química estável [11].

O desenvolvimento de métodos adequados para a produção de pós cerâmicos tem sido de grande relevância nos dias atuais, uma vez que as propriedades importantes em uma cerâmica dependem, em grande parte, das características originais dos pós utilizados. Essas características são afetadas pelos métodos empregados na obtenção desses pós. Filmes finos de TiO₂ têm sido preparados por diferentes métodos, tais como sol-gel [12, 13], condensação à gás inerte [14], evaporação por plasma [15], pirolise spray ultrasônico [16], técnicas hidrotérmicas [17], deposição química a vapor [18] e processo aerosol [19].

Dentre os métodos de síntese química utilizados para preparação de pós, o método Pechini tem se destacado como um processo alternativo e promissor para obtenção de pós nanométricos, com tamanho de partícula controlado, alta pureza e homogeneidade química, além de apresentar um custo relativamente baixo e não necessitar de aparelhagem sofisticada para sua realização [20]. Assim, neste contexto, este trabalho tem por objetivo sintetizar e caracterizar nanopós de TiO₂ utilizando o método Pechini.

MATERIAIS E MÉTODOS

Os materiais utilizados para preparação do TiO₂ foram isopropóxido de titânio IV (Ti[OCH(CH₃)₂]₄) 97% PA (Aldrich), ácido cítrico monohidratado (C₆H₈O₇.H₂ O) 99,5% PA (Nuclear) e etileno glicol (C₂H₆O₂) 99,5% PA (Vetec).

Para preparação do pó de TiO₂, inicialmente foi obtido o citrato de titânio por meio da reação de ácido cítrico com o isopropóxido de titânio, com relação 3:1 em mol. Posteriormente, o sistema foi aquecido a 70 ºC, resultando em uma solução límpida e estável. Após a síntese do citrato, foi adicionado o etileno glicol para promover a polimerização pela reação de poliesterificação entre o citrato de titânio e o etileno glicol. A relação molar entre o ácido cítrico e o etileno glicol foi fixada em 60:40%, em massa. Após a polimerização a 120 ºC formou-se uma resina límpida e bastante viscosa. A resina foi levada à mufla a uma temperatura de 400 ºC por 1 h onde ocorreu a formação do "puff" (polímero pirolisado) e a liberação de parte da matéria orgânica. Após esta etapa, o material foi desaglomerado por moagem em almofariz de ágata e peneirado em malha 200 (74 mm). O material foi novamente calcinado a 500 ºC para completa eliminação da matéria orgânica e oxidação do cátion metálico.

Os pós resultantes foram caracterizados por meio das seguintes técnicas: análise termogravimétrica para verificar as transformações que a amostra sofre ao longo do seu aquecimento; espectroscopia na região do infravermelho para identificar os grupos funcionais; difração de raios X para identificação das fases e determinação do tamanho dos cristalitos utilizando-se a equação de Scherrer [21], área superficial específica pelo método de adsorção de nitrogênio/hélio (BET) para determinação de tamanho de partícula e isotermas de adsorção/dessorção e microscopia eletrônica de varredura para avaliação da morfologia e tamanho médio de aglomerados.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A decomposição térmica do pó de óxido de titânio foi acompanhada pela análise termogravimétrica. A Fig. 1 mostra a curva termogravimétrica e sua derivada. Podemos observar que a curva TG apresenta 45% de perda de massa em duas regiões. A primeira, em torno de 6%, entre 27 ºC e 125 ºC, correspondente a perda de água adsorvida na superfície do material e a segunda, em torno de 39%, entre 250 ºC e 480 ºC, atribuída a perda da matéria orgânica remanescente depois da pirólise. Observa-se que não houve perda de massa após 500 °C.

O resultado da análise térmica diferencial do TiO₂ calcinado a 400 ºC está ilustrado na Fig. 2. A curva obtida apresenta dois eventos térmicos significativos na faixa de temperatura de 25 ºC a 1000 ºC. O primeiro é representado por um pico endotérmico a aproximadamente 100 ºC, característico da desidratação da amostra, e um pico exotérmico entre 230 ºC e 350 ºC atribuído à presença de materiais orgânicos remanescente após pirólise da resina. Estes resultados confirmam os obtidos pela TG e também estão de acordo com os obtidos por Guo et al. [22], quando do estudo da síntese do TiO₂ nanocristalino pela hidrólise do alcóxido de titânio sob irradiação ultra-sônica de alta intensidade. Os autores atribuíram estes dois picos característicos também à remoção de materiais orgânicos.

A Fig. 3 apresenta o espectro de infravermelho do pó de TiO₂ obtido pelo método Pechini. Observam-se três eventos entre 400 e 600 cm^-1 que correspondem às ligações O-Ti-O da fase anatásio cristalino. Dois picos mais intensos a 455 e 494 cm^-1, e um terceiro pico bem discreto a 527 cm^-1. Estes resultados foram similares aos reportados na obtenção do TiO₂ preparado pelo método sol-gel [23]. Ainda de acordo com o espectro de infravermelho, pode-se verificar que entre 600 e 1800 cm^-1 não há nenhuma banda que indique a presença de ligações de carbono. Desta forma, conclui-se que toda a parte orgânica do pó de TiO₂ foi degradada na calcinação a 500 ºC.

A Fig. 4 mostra o difratograma de raios X do pó de TiO₂ obtido pelo método Pechini, calcinado a 500 ºC/1 h. Podemos observar apenas a formação da fase única e cristalina do anatásio (JCPDS 89-4921), cujos picos de difração correspondentes estão identificados no espectro de difração. Este resultado está de acordo com o obtido pela análise de infravermelho, o qual apresentou apenas vibrações O-Ti-O correspondente à fase TiO₂. No difratograma de raios X pode-se também observar que os picos de difração mostraram considerável alargamento, indicando, assim, a característica nanométrica das partículas do pó de TiO₂. O tamanho de cristalito médio calculado, usando-se a equação de Scherrer [21] foi 15 nm.

A Fig. 5 mostra a morfologia do pó de TiO₂ obtida por microscopia eletrônica de varredura. Por meio da micrografia da Fig. 5a observa-se a formação de aglomerados na forma de placas irregulares heterogêneas constituídos de partículas finas. O tamanho médio dos aglomerados, calculado utilizando-se o programa MOCHA, da Jandell (analisador de imagens), a partir da contagem de 200 aglomerados e usando-se várias micrografias obtidas por MEV incluindo a apresentada na Fig. 5a foi 16 µm. A Fig. 6 mostra a distribuição de aglomerados determinada a partir das micrografias obtidas pelo MEV. Podemos observar uma distribuição larga do tamanho dos aglomerados, o que comprova que os aglomerados apresentam tamanhos bastante heterogêneos. Estes aglomerados com tamanho superior a 10 µm teriam características de aglomerados duros (formados por forças primárias) [24]. Porém, observou-se, experimentalmente que os aglomerados de TiO₂ obtidos pelo método Pechini são de características moles (formados por forças fracas de Van der Waals), pois são facilmente desaglomerados em almofariz de ágata e passados na malha 200 (74 µm). A micrografia da Fig. 5b mostra a morfologia de um aglomerado constituído por nanopartículas. Pode-se observar que essas nanopartículas são bastante finas (inferiores a 20 nm), as quais são altamente reativas, o que promove a formação de aglomerados moles.

A Tabela I mostra o valor de área superficial, juntamente com o tamanho de partículas, calculado a partir de análise pelo método BET; o tamanho do cristalito calculado por meio da equação de Scherrer [21], o tamanho dos aglomerados calculado por meio da micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura, e a relação D_BET/D_DRX. Podemos observar que o pó de TiO₂ produzido pelo método Pechini apresentou elevado valor de área superficial, 74,2 m²/g, e conseqüentemente tamanho de partícula 21 nm. Este resultado é mais um argumento para confirmar a característica nanométrica dos pós de TiO₂. A relação D_BET/D_DRX mostra o valor próximo de 1,4, o que indica que as partículas são pouco aglomeradas.

A Fig. 6 ilustra a isoterma de adsorção/dessorção e a distribuição dos poros para o TiO₂ calcinado a 500 ºC obtido a partir da adsorção de nitrogênio usando-se o método BET.

A curva de adsorção/dessorção (loop de histerese), Fig. 6a, do pó de TiO₂ obtido pelo método Pechini apresenta característica do tipo V, típica de mesoporos adsorvidos com forte e fraca afinidade e com diâmetro médio de poros entre 2-50 nm, de acordo com a nova classificação proposta por Aranovich et al. [25] e tipo H2 de acordo com a classificação da IUPAC (Internacional Union of Pure and Apllied Chemistry) [26], que indica ser formado pela composição de poros cilíndricos abertos e fechados com estrangulações, resultando numa morfologia irregular do tipo "garrafa". Na Fig. 6b pode-se observar uma distribuição relativamente estreita do diâmetro médio dos poros, com maior concentração entre 2 e 10 nm e diâmetro médio 7 nm. Estes resultados são semelhantes aos reportados no estudo do comportamento de nanopartículas do espinélio Zn₇Sb₂O₁₂ dopado com níquel pelo método Pechini [27], que resultou em curvas de adsorção com comportamento tipo IV [25], com característica de mesoporos adsorvidos e com poros de diâmetro médio de 2-100 nm.

CONCLUSÕES

O método Pechini foi eficiente para a obtenção de nanopós de TiO₂ cristalinos, puros e nanométricos. Os resultados de análise termogravimétrica, análise térmica diferencial e análise de infravermelho mostraram a degradação do polímero e a formação da fase anatásio do TiO₂ cristalino. A análise de difração de raios X mostrou a formação da fase anatásio e pelo alargamento de pico comprovou-se a característica nanométrica das partículas do pó TiO₂ com tamanho de cristalito 15 nm. As micrografias do pó de TiO₂ mostram partículas finas (< 20 nm), as quais tendem a se aglomerar. O tamanho médio de aglomerados foi de 16 m. O tamanho médio de partícula calculado a partir da área superficial foi de 21 nm. As isotermas de adsorção obtidas foram do tipo V e H2 com comportamento característico da presença de mesoporos (poros com diâmetro de 2-50 nm) e o tamanho de poros 7 nm calculado a partir do gráfico da distribuição do tamanho de poros.

AGRADECIMENTOS

À Rede de Nanotecnologia e Interfaces - RENAMI/CNPq, FAPESP e CAPES pelo apoio financeiro.

(Rec. 20/09/2005, Rev. 28/02/2006-08/04/2006, Ac. 01/06/2006)

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  28 Fev 2007
• Data do Fascículo
  Dez 2006

Histórico

• Aceito
  01 Jun 2006
• Revisado
  08 Abr 2006
• Recebido
  20 Set 2005