Orientador: Prof. Dr. Wendel Andrade Alves / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2016. / Nanotubos de titanato tem atraído muita atenção devido a suas propriedades únicas, que permitem sua aplicação em catálise, fotocatálise, e no desenvolvimento de dispositivos de conversão de energia. No entanto, esses materiais são capazes de absorver somente radiação UV, o que torna necessária sua sensibilização frente à radiação visível que pode ser feito através da dopagem ou sensibilização com corantes. Neste trabalho, nanotubos de titanato foram preparados através da síntese hidrotérmica alcalina e dopados usando um método de troca iônica seguida por uma etapa de calcinação a 200 ºC e 400 ºC, resultando em duas séries de catalisadores: nanotubos de titanato dopados com nitrogênio (NTiNTs) e nanotubos de dióxido de titânio dopados com nitrogênio (NTiO2NTs), respectivamente. A caracterização destes materiais revelou que a temperatura de calcinação afeta a intensidade de cor, área superficial, energia band gap e natureza da espécie de nitrogênio dopante. Os catalisadores NTiO2NTs reúnem as propriedades que os qualificam como melhores fotocatalisadores, sendo capazes de degradar de 1,8% (m/m, massa de corante degradado por 100g de catalisador) a 2,9%, enquanto os NTiNTs foram capazes de degradar somente de 0,17%mg mg-1 a 0,60%. Os catalisadores NTiNTs e NTiO2NTs também foram sensibilizados com ftalocianina de cobre(II) tetracarboxilada. Observou-se que a sensibilização não afeta a forma nem a estrutura cristalina dos nanotubos, no entanto, ela promove alterações nas propriedades superficiais levando a interações diferenciadas entre os tubos. Esses materiais foram aplicados na degradação de rodamina B através de mecanismos de fotocatálise e catálise mediada por H2O2. Observou-se que os catalisadores sensibilizados apresentam eficiência fotocatalítica cerca de 50% menor do que os materiais não sensibilizados. No caso da catálise mediada por H2O2 a sensibilização aumenta a atividade catalítica, podendo atingir 100% de eficiência. Por fim, foram desenvolvidos novos eletrodos multi-hierárquicos baseados em filmes de nanobastões de óxido de zinco (ZnONR) decorados com nanotubos de titanato, utilizando glicina como uma ponte para promover o aumento da interação entre as estruturas. Estes eletrodos foram aplicados como fotoanodos no desproporcionamento fotoeletroquímica da água, gerando O2 e H2. Os resultados mostraram que a heterojunção dos dois óxidos metálicos leva a um aumento da eficiência fotoeletroquímica. Desse modo, os eletrodos multihierárquicos são capazes de produzir correntes de geração de O2 de 0,90 mA cm-2 (a 1,23 V vs ERHE), enquanto os eletrodos de ZnONR puros produzem 0,45 mA cm-2. O potencial de evolução de O2 também diminui de 0,8 V (vs ERHE) para eletrodos de TiNTs para 0 V no caso dos eletrodos multi-hierárquicos. / Titanate nanotubes have attracted much attention due do their unique properties which allow their application in catalysis, photocatalysis and energy conversion devices development. However, this material is able to absorb only UV radiation making necessary its sensibilization toward visible radiation that can be done through doping or dye sensibilization. In this work, titanate nanotubes were prepared through alkaline hydrothermal synthesis and doped using an ion exchange methodology followed by a calcination step at 200 ºC and 400ºC, resulting in two series of catalysts: nitrogen doped titanate nanotubes (NTiNTs) and nitrogen doped titanium dioxide nanotubes (NTiO2NTs), respectively. The characterization of these materials revealed that the calcination temperature affects color intensity, surface area, band gap energy and nature of doping nitrogen species. The NTiO2NTs catalysts gather the properties that qualify them as better photocatalysts, being capable of degrading from 1,8% (m/m, degraded dye mass by 100 g of catalyst) to 2,9%, whereas the NTiNTs are capable of degrading only 0,17% to 0,60%. The catalysts NTiNTs and NTiO2NTs were also sensitized with tetracarboxylate cooper(II) phthalocyanine. It has been observed that the sensibilization does not affect the morphology or crystalline structure of the nanotubes; however, it promotes changes on the surface properties leading to differentiated interactions between the tubes. These materials were applied on rhodamine B degradation through mechanisms of photocatalysis and catalysis mediated by H2O2. It was observed that the sensibilized catalysts exhibit photocatalytic efficiency of about 50% lower than nonsenbilized materials. In the case of catalysis mediated by H2O2 the sensibilization increases catalytic activity, which can reach 100% of efficiency. Finally, new multihierarchical electrodes were developed, based on zinc oxide nanorods (ZnONR) films decorated with titanate nanotubes, using glycine as a bridge to promote the increasing of the interaction between the structures. These electrodes were applied as photoanodes for photoelectrochemical water splitting, producing O2 e H2. The results show that the heterojunction of the two metal oxides leads to an increasing of the photoelectrochemical efficiency. Thus, the multi-hierarchical electrodes are capable of producing O2 evolution currents of 0.90 mA cm-2 (at 1.23 V vs ERHE), whereas the pure ZnONR electrodes produce 0.45 mA cm-2. The O2 evolution potential also decreases from 0.8 V (vs ERHE) for TiNTs electrodes to 0V for the multi-hierarchical electrodes.

Neste trabalho, eletrocerâmicas a base de BaTiO3 e Ba(1-x)Erx TiO3 com x(Er3+) = 0,001, 0,010 e 0,050 foram preparadas através do método dos precursores poliméricos, com o propósito de estudar as possíveis relações entre os comportamentos termistor (tipo PTCR) e varistor em nível elétrico e microestrutural. Após calcinação dos pós-precursores em 700°C por 2h, os pós compactados isostaticamente a 300 MPa na forma de pastilhas, foram sinterizados em 1200°C, 1250°C, 1300°C e 1350°C. Foram realizadas caracterizações estruturais e microestruturais aplicando as técnicas de difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo, além de estudos elétricos e dielétricos utilizando a técnica de espectroscopia de impedância como ferramenta principal. Destas caracterizações, verificou-se a obtenção de materiais cerâmicos densos e com valores médios de tamanhos de grãos dependentes de x(Er3+) bem como da temperatura de sinterização. A análise dos resultados de espectroscopia de impedância via circuito equivalente revelaram para as amostras de Ba(1-x)ErxTiO3 que as respostas elétricas podem ser associadas a 3 microrregiões (Modelo Core-Shell): os núcleos e as \"couraças\", ambas relacionadas as porções internas dos grãos cerâmicos, mais os contornos de grãos, respectivamente. Considerando as contribuições resistivas associadas a cada microrregião, em função das tensões e temperaturas aplicadas, os comportamentos varistor e termistor das eletrocerâmicas de Ba(1-x)ErxTiO3 são apresentados e caracterizados em relação ao comportamento das amostras de BaTiO3. No âmbito geral, este trabalho revela uma boa correlação entre estes fenômenos e suas associações a cada microrregião identificada pelos modelos de circuitos equivalentes supostos na literatura. / Electroceramics based on Ba(1-x)ErxTiO3, with x(Er3+) = 0,001, 0,010, 0,050 stoichiometry were synthesized by the polymeric precursors method in an attempt to correlate the possible relations between the PTCR effect and the varistor behavior detected in terms of microstructures by electrical properties. After calcinated at 700°C for 2h, the samples were processed like pellets under isostatically compaction at 300 MPa, and sintered at 1200°C, 1250°C, 1300°C 1350°C, by 3h. Characterizations were made by x-ray diffraction, scanning electron microscopy with field emission gun and impedance spectroscopy, this last one, as the key tool from this work. The results, in general, showed good densification parameters, which are dependent of x(Er3+) and sintering temperature as well. Furthermore, impedance spectroscopy via equivalents circuits, in terms of the series layer model, revealed the appearance of three microregions, which are stated to be in well agreement with the Core-Shell microstructural model. Considering the relation between the resistive response of each microregion, i.e., the nuclei, the intermediary shells and the grain boundaries, it was possible to establish a path to the relation between PTCR effect with the varistor one under the structural, microstructural and electrical peculiarities from the Ba(1-x)ErxTiO3 electroceramic system, in comparison with the pure polycrystalline BaTiO3 behavior.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os materiais ferroelétricos têm sido utilizados em muitas áreas da tecnologia e da ciência, pois possuem um grande número de aplicações, como: sensores; transdutores; capacitores; dispositivos ópticos; dentre outras. A busca por novos materiais cerâmicos ferroelétricos tem sido grande. Um dos materiais cerâmicos ferroelétricos mais estudados é o titanato de bário (BT). São vários os métodos de produção e caracterização do titanato de bário. Neste trabalho, pós cerâmicos de titanato de bário foram obtidos por reação do estado sólido a partir de misturas reacionais calcinadas em diferentes temperaturas entre 400C e 900C. Foram três as misturas reacionais: não dopadas; dopadas com 1%; e dopadas com 5% de dióxido de cério (CeO2). A identificação da formação do BT, nos pós cerâmicos produzidos, foi feita a partir de três técnicas de caracterização: difração de raios X (DRX); espectroscopia fotoacústica (PAS); e técnicas de análise térmica. Com a técnica DRX, difratogramas mostraram que a plena formação do titanato de bário ocorreu a partir da temperatura de calcinação de 700C. Para a amostra não dopada com cério e calcinada a 800C, houve deslocamento de todos os picos de difração. Nas amostras dopadas com dióxido de cério houve deslocamento de todos os picos de difração, em relação as amostras não dopadas. Observou-se também que nas amostras dopadas com 5% de CeO2, e calcinadas a 700C e 800C, resíduos de dióxido de cério foram observados nos difratogramas. Com a técnica PAS, espectros de absorção foram obtidos. Foi possível observar uma grande diferença de absorção da amostra calcinada a 600 e 630C, indicando a formação do titanato de bário a partir da temperatura de 630C, nas amostras sem a dopagem dióxido de cério. Houve um alargamento nas bandas de absorção a partir da temperatura de 600C, quando o dióxido de cério entrou na matriz. Foi também possível determinar as energias de band-gap das amostras utilizando o método de Tauc. Com as técnicas de análise térmica, em especial através da técnica termogravimétrica (TG/DTG), foi comprovado que até 400C não havia formação de titanato de bário. Visto que nesta temperatura de calcinação houve a maior perda de massa durante a rampa de aquecimento. O início da formação do titanato de bário foi observado a partir da temperatura de calcinação de 500C, assim como nas técnicas DRX e PAS. Portanto, com os resultados apresentados, foi demonstrada a identificação da formação do titanato de bário nas misturas reacionais calcinadas, com auxílio das potencialidades das três técnicas utilizadas. / Ferroelectric materials have been used in many areas of technology and science, because they have a large number of applications, such as sensors; transducers; capacitors; optical devices; among others. The search for new ferroelectric ceramics has been great. One of the most studied ferroelectric ceramic material is barium titanate (BT). There are several methods for production and characterization of barium titanate. In this work, ceramic powders of barium titanate were obtained by solid state reaction from reaction mixtures calcined at different temperatures between 400C and 900C. Three reaction mixtures were used: undoped; doped with 1%; and 5% doped with cerium dioxide (CeO2). The identification of the formation of BT, for the ceramic powders produced, was taken from three characterization techniques: X-ray diffraction (XRD); photoacoustic spectroscopy (PAS); and thermal analysis techniques. With the technique XRD diffraction patterns showed that complete formation of the barium titanate occurred after the calcination temperature of 700C. For the sample not doped with cerium and calcined at 800C, there was displacement of all diffraction peaks. In samples doped with cerium dioxide was no displacement of all diffraction peaks, comparing to undoped samples. It was also observed that the samples doped with 5% CeO2 and calcined at 700C and 800C, cerium dioxide residues were observed in the diffraction pattern. The absorption spectra were obtained with the technique PAS. It was possible to observe a large difference in absorption spectra in the samples calcined at 600C and 630C, indicating the formation of barium titanate at temperature of 630C in the samples without doping of cerium dioxide. There was an enlargement in the absorption band above temperature of 600C when the cerium dioxide was introduced into the matrix. It was also possible to determine the band-gap energy of the samples using the method of TAUC. With thermal analysis techniques, in particular by thermogravimetric technique (TG/DTG), has been proven that up to 400C there was no formation of barium titanate. Once, in this calcination temperature there was the largest mass loss during the heating ramp. The onset of formation of barium titanate was observed from the calcination temperature of 500C, as it has been found by the XRD and PAS techniques. Therefore, with the results presented, the identification of the formation of barium titanate calcined in reaction mixtures with the aid of the potentialities of the three techniques was demonstrated.

Pós nanocristalinos de Ba1-xCaxTiO3(0≤ x ≤ 0.30) foram sintetizados pela primeira vez por meio do método dos precursores poliméricos modificados, em temperaturas relativamente baixas (500°C). Para a densificação dos corpos cerâmicos duas técnicas distintas foram utilizadas: a sinterização convencional, utilizando um forno elétrico; e a sinterização a laser, na qual um laser de CO2 foi utilizado como principal fonte de calor. Os corpos cerâmicos sinterizados pelas duas técnicas apresentaram um tamanho médio de grãos em torno de 500 nm, porém uma maior densidade relativa foi obtida nas cerâmicas sinterizadas a laser, chegando a 99%, além de boa transparência, ∼42% a 940 nm para a amostra com 30 mol% de Ca com espessura de 0.5 mm. Também verificamos por meio de simulação numérica, que a equação de condução de calor na aproximação linear, considerando uma fonte de calor com perfil gaussiano, descreve qualitativamente o comportamento observado durante a sinterização a laser no seu estágio final. Por meio da técnica de espectroscopia de impedância foi feita a caracterização dielétrica dos corpos cerâmicos, nos quais três pontos principais foram estudados: i) o efeito do tamanho de grãos; ii) a influência da concentração de Ca; e iii) a influência do método de sinterização. Com a variação do tamanho do grão foram observadas mudanças na intensidade do pico de transição ferro-paraelétrica, na temperatura de Curie e na permissividade relativa à temperatura ambiente. Para concentrações de Ca até 15 mol%, as cerâmicas apresentaram uma transição de Curie estreita semelhante ao BaTiO3,enquanto que para concentrações maiores, uma transição de fase difusa foi observada. A sinterização a laser resultou em corpos cerâmicos com constante dielétrica 30% maior, e menor perda dielétrica do que as cerâmicas sinterizadas convencionalmente. Finalmente, foi proposto um modelo baseando-se na formação de vacâncias de oxigênio para o aumento da condutividade elétrica com a substituição de Ca. / Ba1-xCaxTiO3 (0 ≤ x ≤ 0.30) nanocrystalline powders were successfully synthesized for the first time at relative low temperature (500 °C) by a modified polymeric precursor method. The densification of the ceramics was made by two distinct techniques: conventional sintering using an electric furnace; and by a laser sintering process in which a CO2 laser is used as the main heating source. It was achieved dense ceramics with an average grain size about 500 nm from both techniques. However, the laser sintered ceramics presented a higher relative density (99 %) and a transparency of 42% at 940 nm in the sample with 30 mol% of Ca. By numerical simulation of the thermal conduction equation on the linear approximation case and taking account a thermal source with a gaussian profile, it was possible to describe qualitatively the final stage of the laser sintering process. The dielectric characterization of the ceramic bodies were carried out by the impedance spectroscopy technique and three main effects were studied: i) the grain size effect; ii) the Ca concentration influence; and, iii) the sintering technique influence. Modifying the grain size led to changes in the ferro-paraelectric transition magnitude, on the Curie temperature value and in the relative permittivity at room temperature. For Ca2+ concentrations up to 15 mol% the sintered ceramics presented a sharp Curie transition like BaTiO3,while for higher Ca concentrations a diffuse phase transition was observed. The laser sintered ceramics presented a dielectric constant 30% higher than the conventional sintering and a lower dielectric loss. Finally, we have proposed a model based on the oxygen vacancies formation to explain the conductivity increase with the Ca2+ substitution.

The main goal of this study was to develop a methodology for the production of Bismuth Titanate ceramics in the phase Bi4Ti3O12, based on sol-gel route and using polyvinyl alcohol (PVA) as polymerizing agent. Bi4Ti3O12 is a ferroelectric material with great technological appeal due to its potential application in capacitors and memory devices. Moreover, the sol-gel route with PVA, besides enabling particle size control and low contamination during the synthesis, has the advantage of using less expensive reagents than those used in conventional route. The results indicated that ceramic bodies with single phase and relative density of 70% can be obtained after calcination at 800º C and sintering at 1000º C for 2h. These ceramic bodies had microstructure with sub-micrometric rounded grains that assume platelet morphology when reach micrometric dimensions. The impedance diagram of sintered ceramics presented two characteristic semicircles, thermally activated conductivity and dielectric permittivity characterized by a dispersion at low frequencies due to charge carriers movement in the material. The activation energy for the conductive processes was determined by the low frequency dependence of electric conductivity and modulus on the temperature. In both cases, it was observed an Arrhenius-type behavior with energies around 0.7 eV. Similar values were obtained for the conductive processes in intra-grain region, at high frequencies. In this case, the energies were obtained only by analyzing the electrical module. The results obtained point out to the success of the technique to obtain material with good crystallographic quality through a route that is simplified and cost reduced. In the specific case of the material being studied in this work, additional efforts will be required to achieve ceramics with relative density higher than 90%. / O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de uma metodologia para a produção de cerâmicas de Titanado de Bismuto na fase Bi4Ti3O12, baseada na rota de sol-gel e utilizando polivinil álcool (PVA) como agente polimerizante. O Bi4Ti3O12 é um material ferroelétrico com grande apelo tecnológico devido ao seu potencial de aplicação em capacitores e elementos de memória. Por outro lado, a rota de sol-gel com PVA, além de possibilitar o controle de tamanhos de partícula e reduzir riscos de contaminação durante a síntese, apresenta a vantagem de utilizar reagentes de custo menor do que os que são utilizados na rota convencional. Os resultados obtidos indicaram que corpos cerâmicos com fase cristalina única e densidade relativa de 70 % podem ser obtidos após calcinação em 800º C e sinterização a 1000º C por 2h. Estes corpos cerâmicos apresentaram microestrutura com grãos sub-micrométricos arredondados, evoluindo para grãos em forma de plaquetas ao atingir dimensões micrométricas. O diagrama de impedância das cerâmicas sinterizadas apresentou dois semicírculos característicos, condutividade termicamente ativada e permissividade marcada por dispersão a baixas frequências devido ao movimento de portadores de carga no material. A energia de ativação para os processos condutivos foi determinada a baixas frequências através da dependência da condutividade e do módulo elétrico com a temperatura. Em ambos os casos, observou-se um comportamento do tipo Arrhenius, com energias em torno de 0.7 eV. Valores semelhantes foram obtidas para os processos condutivos na região intra-grão, em altas frequências. Neste caso, as energias foram obtidas somente pela análise do módulo elétrico. O conjunto de resultados obtidos aponta para o sucesso da técnica para obter materiais de boa qualidade cristalográfica através de uma metologia simplificada e com custo reduzido. No caso específico do material em estudo no presente trabalho, esforços adicionais serão necessários para se obter cerâmicas com densidade relativa superior a 90 %.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Barium titanate (BaTiO3 - BT) is a ferroelectric material with important technological applications. When partially doped with trivalent cations at the barium sublattice or pentavalent at the titanium sublattice, BaTiO3-based ceramics exhibit a semiconductive character, accompanied by a Positive Temperature Coefficient of Resistivity (PTCR). Several ways of BT modifications have been proposed in literature, as example, the use of different synthesis methods and the doping with different ions. Therefore, in the present work we have as objective the synthesis, sintering and electrical characterization of the rare earth ions (RE = La3+, Y3+, Er3+, Nd3+ e Eu3+) doped barium calcium titanate ceramics (Ba0,77Ca0,227RE0,003TiO3 BCT_RE) in order to study mainly the PTCR behavior. The powder synthesis was done by the polymeric precursor method followed by the sinterization at reducing atmosphere during the heating up ramp and different atmosphere during cooling down ramp in order to investigate the atmosphere and dopant effect on PTCR behavior. The characterization was done using the Differential Thermal Analysis, Thermogravimetry, Scanning Differential Calorimetry, X-ray Powder Diffraction, Scanning Electron Microscopy and Impedance Spectroscopy techniques. The calcined powder at 600ºC/4h presented majority BCT phase and after sintering at 1350ºC/6h, a small amount of Ba6Ti17O40 phase was observed. The sintered ceramics presented a homogeneous grain size distribution but with the presence of a secondary phase at the grain boundary for all compositions, and Curie temperature at about 120ºC. The PTCR characteristics of the ceramics were studied as a function of the sintering atmosphere and dopant type. In summary, all the samples, exception of the Eu doped samples, presented PTCR behavior in all the studied conditions. . / O titanato de bário (BaTiO3 - BT) é um material ferroelétrico com importantes aplicações tecnológicas. Quando dopado com íons trivalentes no sítio do bário ou pentavalentes no sítio do titânio, cerâmicas de BaTiO3 exibem um caráter semicondutor, acompanhado por um coeficiente positivo da resistência com o aumento da temperatura (PTCR). Diversas formas de modificação do BT têm sido sugeridas na literatura, por exemplo, a utilização de diferentes métodos de síntese e a dopagem com diferentes íons. Dessa forma, no presente trabalho tivemos como objetivo a síntese, a sinterização e a caracterização elétrica de cerâmicas de titanato de bário e cálcio (Ba0,77Ca0,227RE0,003TiO3 BCT_RE) dopados com íons terras raras (RE = La3+, Y3+, Er3+, Nd3+ e Eu3+), visando principalmente o estudo do comportamento PTCR. A síntese dos pós foi realizada pelo método dos precursores poliméricos, seguido pela sinterização em atmosfera redutora durante o aquecimento e diferentes atmosferas no resfriamento com o intuito de investigar a influência da atmosfera e do dopante no comportamento PTCR. A caracterização foi feita utilizando as técnicas de Análise Térmica Diferencial, Termogravimetria, Calorimetria Exploratória Diferencial, Difração de Raios X, Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia de Impedância. Os pós calcinados a 600ºC/4h apresentaram fase majoritária BCT e após sinterizados a 1350ºC/6h foi observada a presença da fase Ba6Ti17O40. As cerâmicas sinterizadas apresentaram uma distribuição homogênea de tamanho de grão, porém com a presença de uma segunda fase na região de contorno de grão para todas as composições, com temperatura de Curie em torno de 120ºC. As características PTCR das cerâmicas foram estudadas em função da atmosfera de sinterização e do tipo do dopante. Em resumo, todas as amostras, com exceção das dopadas com Eu, apresentaram comportamento PTCR para todas as condições estudadas.

Composições cerâmicas de CaxSr1-xTi1-yFeyO3-&delta;, x = 0, 0,5 e 1,0, y = 0 e 0,35, foram preparadas por meio de síntese reativa de CaCO3, SrCO3, TiO2 e Fe2O3 e pela técnica dos precursores poliméricos. Os pós-cerâmicos foram avaliados por meio de análise térmica (termogravimétrica e térmica diferencial), difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura. Compactos cerâmicos sinterizados foram analisados por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia de varredura por sonda e espectroscopia de impedância. A força eletromotriz gerada entre duas faces paralelas de amostras cilíndricas foi monitorada na faixa de temperatura 600 - 1100 oC para pressão parcial de oxigênio de ~50 ppm, utilizando-se uma bomba eletroquímica de oxigênio com transdutores de zircônia estabilizada com ítria. Foram refinadas, por meio de análise de Rietveld as estruturas cristalinas determinadas na análise por difração de raios X: perovskita cúbica (x = 0) e perovskita ortorrômbica (x 0). A condutividade elétrica foi analisada por medidas de espectroscopia de impedância na faixa de freqüências 5 Hz-13 MHz da temperatura ambiente até ~200 C. A deconvolução dos diagramas de impedância [-Z\"() x Z\'()] na faixa de temperaturas 300 < T(K) < 500 mostra dois semicírculos atribuídos às contribuições intragranular (grãos) e intergranular (contornos de grão) à resistividade elétrica. Os compactos sinterizado utilizando pós preparados pela síntese de estado sólido apresentam valores de resistividade intergranular e intragranular maiores que os compactos preparados com pós obtidos pela síntese química. O sinal elétrico (força eletromotriz) gerado sob exposição a oxigênio mostra que esses compostos podem ser utilizados em dispositivos sensores de oxigênio entre 600 e 1100C. Análises topográficas em microscópio de varredura por sonda em superfícies polidas e atacadas termicamente mostram detalhes morfológicos dos grãos, permitindo concluir que compactos sinterizados preparados com pós obtidos pela rota química são menos porosos que os preparados com pós obtidos pela rota convencional de síntese de estado sólido. Estes resultados estão de acordo com os resultados de medidas de espectroscopia de impedância. / CaxSr1-xTi1-yFeyO3-&delta;, x = 0, 0.5 and 1.0, y = 0 and 0.35, ceramic compounds were synthesized by reactive solid state synthesis of CaCO3, SrCO3, TiO2 and Fe2O3, and by the polymeric precursor technique. The ceramic powders were evaluated by thermogravimetry and differential thermal analysis, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Sintered ceramic pellets were analyzed by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, scanning probe microscopy and impedance spectroscopy. The electromotive force resulting from the exposing the pellets to partial pressure de oxygen in the ~50 ppm in the 600-1100 oC range was monitored using an experimental setup consisting of an oxygen electrochemical pump with yttria-stabilized zirconia transducer and sensor. Rietveld analysis of the X-ray data allowed for determining the crystalline structures: cubic perovskite (y = 0) and orthorhombic perovskite (y 0). The electrical conductivity was determined by the two probe impedance spectroscopy measurements in the 5 Hz-13 MHz frequency range from room temperature to approximately 200 C. The deconvolution of the [-Z\"() x Z\'()] impedance diagrams in the 300 < T(K) < 500 range shows two semicircles due to intragranular (bulk) and intergranular (grain boundary) contributions to the electrical resistivity. Sintered pellets using powders prepared by the ceramic route present higher inter- and intragranular resistivity values than pellets prepared with chemically synthesized powders. The emf signal under exposure oxygen shows that these compounds may be used in oxygen sensing devices in the 600 - 1100 C range. Scanning probe microscopy topographic analysis of the polished and thermally etched surfaces of the pellets gave details of grain morphology, showing that pellets prepared with powders synthesized by the chemical route are less porous than the ones obtained by the ceramic route. These results are in agreement with the impedance spectroscopy results.

Made available in DSpace on 2017-07-24T19:38:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DaniellaIngles.pdf: 4512280 bytes, checksum: c8619d3eba91fdbec4d26eeb30e24eb9 (MD5) Previous issue date: 2013-03-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Titanates have perovskite crystalline structure very known for electrical and optical properties used in the electronic devices such as sensors, capacitors, nonvolatile and dynamic random access memories. In particular, titanates structures are characterized for the ABO3 formula being A crystallographic site formed by 12 atoms neighbors and B crystallographic site formed by 6 atoms neighbors. However, researches about strontium titanate-stannate system are found minimally in the literature. Articles discussing synthesis, characterization and compositions are insufficiently presented. This project shows a theoretical study of the structure and optical properties of the strontium titanate-stannate system for different substitutions [Sr(Ti1-xSnx)O3 x = 0; 0,25; 0,50; 0,75; 1]. It was used theoretical-computational methodology based on, Density Functional Theory (DFT) with B3LYP functional to calculate the structure of the models SrTiO3 (STO), Sr(Ti1-xSnx)O3 (STS) and SrSnO3 (SSO). Theoretical data of parameter lattice, cell unit angles, volume, band gap, overlap population, charges and free energy are presented as well as analysis and discussion of the results for band structure (EB), density of states (DOS), electron density maps. Thus, one may present the data obtained and investigate the properties of the materials. / Titanatos possuem estrutura cristalina perovskita muito conhecida pelas propriedades elétricas e ópticas utilizadas em dispositivos eletrônicos como sensores, capacitores, memória de acesso randômico dinâmica e não volátil. Em particular, as estruturas de titanatos são caracterizadas pela fórmula ABO3 sendo A sítio cristalográfico formado por 12 átomos vizinhos e B o sítio cristalográfico formado por 6 átomos vizinhos. No entanto, pesquisas sobre o sistema titanato-estanato de estrôncio são encontradas minimamente na literatura. Artigos que discutem a síntese, caracterização e composições são insuficientemente apresentados. Este trabalho apresenta o estudo teórico da estrutura e propriedades ópticas do sistema titanato-estanato de estrôncio para diferentes substituições [Sr(Ti1-xSnx)O3 x = 0; 0,25; 0,50; 0,75; 1]. Utilizou-se metodologia teórico-computacional baseada em, Teoria do Funcional de Densidade (DFT) com funcional B3LYP, para cálculo da estrutura dos modelos SrTiO3 (STO), Sr(Ti1-xSnx)O3 (STS) e SrSnO3 (SSO). Dados teóricos de parâmetro de rede, ângulos da célula unitária, band gap, recobrimento populacional, cargas e energia livre são apresentados como também a análise e discussão dos resultados por meio de estrutura de bandas (EB), densidade de estados (DOS), mapas de densidade eletrônica. Desta forma, podem-se apresentar os dados obtidos e investigar as propriedades dos materiais.

O titanato e zirconato de chumbo \'PB\'(\'ZR\'1-y\'TI\'y)\'O IND.3\' é um material ferroelétrico de estrutura perovskita que tem sido aplicado como transdutores, amplificadores, sensores piezoelétricos, piroelétricos e memórias ferroelétricas. É bem estabelecido que a incorporação de íons de \'LA POT.3+\' ou \'BA POT.2+\' nos sítios ocupados pelo \'PB\' no sistema \'PB\'(\'ZR\'1-y\'TI\'y)\'O\' (PZT), formando os sistemas \'PB\'1-x\'LA\'x\'ZR\'1-y\'TI\'y\'O IND.3\' (PLZT) e \'PB\'1-x\'BA\'x\'ZR\'1-y\'TI\'y\'O IND.3\' (PBZT), provoca mudanças significativas nas suas propriedades. No entanto, poucos trabalhos tem sido dedicados a esses sistemas contendo altas concentrações de \'TI\', principalmente no que se refere à estrutura desses materiais. Assim, este trabalho teve por objetivo analisar as propriedades estruturais e suas correlações com as propriedades dielétricas dos sistemas \'PB\'1-x\'LA\'x\'ZR\'0,40\'TI\'0,60\'O IND.3\' (PLZT100x) e \'PB\'1-x\'BA\'x\'ZR\'0,40\'TI\'0,60\'O IND.3\' (PBZT100x) em função da composição e da temperatura. Foram preparadas amostras cerâmicas por meio de sinterização convencional com x variando entre 0,05 e 0,21 para o sistema PLZT e entre 0,10 e 0,50 para o sistema PBZT. Em relação à estrutura a longa distância, medidas de difração de raios X mostraram uma diminuição no grau de tetragonalidade com o aumento da concentração dos cátions substituintes, que foi atribuída à formação de vacâncias no sítio A (caso do \'LA\') e diferença entre o raio iônico (caso do \'BA\'). Estas alterações estruturais em função da composição foram também responsáveis pelo aumento do grau de difusidade das curvas de permissividade dielétrica e pela observação de um estado ferroelétrico relaxor nas amostras contendo altas concentrações de \'LA\' e \'BA\'. Em relação à estrutural local, os resultados obtidos através da técnica de espectroscopia de absorção de raios X (XAS) nas bordas \'K\' do \'TI\' e LIII do \'PB\' mostraram que a incorporação de átomos de \'LA\' ou \'BA\' à estrutura do PZT leva a uma redução no deslocamento do átomo de \'TI\' em relação ao centro do octaedro \'TI\'O IND.6\' e mudanças na ordem local do átomo de \'PB\'. No que tange as composições contendo 21% at. de \'LA\' e 50% at. de \'BA\', diferentemente dos resultados de DRX que mostraram uma simetria cúbica, a técnica de XAS mostrou uma simetria local tetragonal. Em bom acordo com os resultados obtidos pela técnica de espectroscopia Raman, espectros EXAFS medidos em altas temperaturas mostraram também que a estrutura local não é compatível com uma estrutura de simetria cúbica. Espectros XANES medidos na borda \'K\' do oxigênio revelaram uma redução no grau de hibridização entre os estados 2p do \'O\' com 6sp do \'PB\' à medida que a concentração de \'LA\' ou \'BA\' aumenta, que estaria relacionada com o surgimento de comportamento relaxor. Amostras cerâmicas densas nanoestruturadas de composição PZT, PLZT11 e PBZT10 foram preparadas pelo método de spark plasma sintering (SPS) a fim de analisar a influência do tamanho de grão. Foi verificado que as amostras sinterizadas por SPS apresentam tamanho de grão em torno de 60 nm. A caracterização dielétrica destas amostras mostra que a redução do tamanho de grão causa uma redução no valor de máximo da permissividade dielétrica e características difusas da permissividade em função da temperatura devido ao aumento das regiões de contorno de grão. / Lead titanate zirconate (\'PB\'(\'ZR\'1-x\'TI\'x)\'O IND.3\') are ferroelectric materials with perovskite structure which has been used as transducers, capacitors, piezoelectric and pyroelectric sensors and ferroelectric memories. The substitution of \'PB POT.+2\' ions by \'LA POT.+3\' or \'BA POT.+2\' ions in the \'PB\'(\'ZR\'1-x\'TI\'x)\'O IND.3\' (PZT) system, which leads to the formation of the \'PB\'1-x\'LA\'x\'ZR\'1-y\'TI\'y\'O IND.3\' (PLZT) and the \'PB\'1-x\'BA\'x\'ZR\'1-y\'TI\'y\'O IND.3\' (PBZT) systems, induces several changes in the electric and structural properties of these materials. However, PLZT or PBZT systems based on \'TI\'-rich compositions have not been thoroughly investigated and the literature contains few reports concerning their structure. Thus, the main objectives of this doctoral thesis were the synthesis and structural characterization of \'PB\'1-x\'R\'x\'ZR\'0.40\'TI\'0.60\'O IND.3\' ferroelectric ceramic samples, with R = \'BA\' and \'LA\' and x between 0.00 to 0.50 (PLZT100x and PBZT100x). The characterization with X-ray diffraction technique of these samples showed a decrease of the tetragonality degree with increase of the doping cation concentration, which was related to the appearance of defects caused by the incorporation of \'LA\' or \'BA\' cations. These structural modifications were also responsible by the increase of the diffuseness at the dielectric permittivity and a relaxor behavior as a function of the \'LA\' or \'BA\' concentration. Concerning the local structure, XANES spectra in the absorption edge of various elements in PLZT and PBZT samples were performed. In the cases of \'TI\' \'K\'-edge absorption, the doping of \'LA\' and \'BA\' atoms in the PZT structure leads to a reduction of the displacement of \'TI\' atom in the center of the \'TI\'O IND.6\' octahedron. However, even when the crystal structure is cubic, a local octahedron distortion remains. EXAFS measurements in \'PB\' LIII-edge and \'ZR\' \'K\'-edge were performed and also indicate that local structure around lead or zirconium atoms is also affected by the introduction of \'LA\' and \'BA\' atoms in the PZT structure. In addition, XANES spectra measured at \'O\' \'K\'-edge revealed a reduction in the hybridization degree between \'O\' 2p and \'PB\' 6sp states with the addition of \'LA\' or \'BA\' atoms to the structure of PZT. It has been shown that hybridization between these states is essential to ferroelectricity and this reduction would be related to the relaxor behavior. PLZT and PBZT systems were also studied depending on the size of particle size in a nanometer scale. Thus samples PZT, PLZT11 and PBZT10 compositions were prepared using the synthesis method of precursor polymers and the process of sintering by spark plasma. A pronounced decrease in the values of maximum permittivity was observed and the dielectric curve as a function of the temperature exhibits a diffuse behavior. This size-induced diffuse phase transition and the reduction of the permittivity magnitude could be related to the differences between the core grain and the grain boundaries.

[pt] A síntese de nanopartículas (NP) de níquel metálico via rota solvotérmica foi estudada com o intuito de produzir estruturas híbridas destas NP ancoradas na superfície de titanatos nanoestruturados. Inicialmente os parâmetros ideais para a formação das NP com os menores e monodispersos diâmetros foram determinados com o auxílio das técnicas de difração de raios X e de microscopia eletrônica. Em seguida, nanotubos de titanatos foram sintetizados via rota hidrotérmica alcalina. Esses titanatos foram adicionados à rota solvotérmica já estudada, buscando a nucleação heterogênea das NP de Ni metálico em sua superfície. Os produtos das sínteses foram analisados por diversas técnicas de caracterização a fim de determinar a nanoestrutura dos produtos formados, a estabilidade térmica das NP, assim como identificar os subprodutos da síntese solvotérmica e medir as eficiências catalíticas e fotocatalíticas dos materiais. Os resultados permitiram concluir sobre as características estruturais dos materiais e a eficácia da ancoração, bem como os mecanismos envolvidos na síntese solvotérmica para a redução do Ni2, presente no precursor organometálico, para Ni0, apresentando uma nova rota para a produção destas NP. / [en] The synthesis of metallic nickel nanoparticles (Ni-NP) via a solvothermic route was studied to produce hybrid structures of these NP anchored to the surface of nanostructured titanates. Initially the ideal parameters for the formation of NP with the smallest and monodisperse diameters were determined with the aid of Xray diffraction and electron microscopy techniques. Then, titanate nanotubes were synthesized via alkaline hydrothermal route. These titanates were added to the studied solvothermic route, seeking the heterogeneous nucleation of Ni-NP on its surface. The synthesis products were analyzed by several characterization techniques to determine the nanostructure of the products, the thermal stability of the NP, to identify the by-products of the solvothermic synthesis and to measure the catalytic and photocatalytic efficiencies of the materials. The results include the structural characteristics of the materials and the anchoring efficiency, as well as the mechanisms involved in the solvothermic synthesis to reduce the Ni2 ion, a component of the organometallic precursor, to Ni0, introducing a new route for the synthesis of these NPs.