Publicação: Estudo da influência dos íons terras raras Er3+, Eu3+ e Pr3+ nas propriedades fotoluminescentes e eletroquímicas do CeO2
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA, CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA
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Resumo
Nanoestruturas de CeO2 puro e dopado com 1,0; 2,0 e 4,0% em mol de íons terras raras
(TR), Er3+, Eu3+ e Pr3+, foram preparadas por meio do método hidrotérmico de microondas.
O tamanho de cristalito dos materiais variou entre 5 e 13 nm, sendo os menores
valores observados para as amostras de CeO2 dopadas com 1,0% em mol dos íons TR3+,
indicando que esta concentração inibiu de forma mais efetiva o crescimento dos
cristalitos. A inserção dos íons TR3+ na rede cristalina do CeO2 gerou a formação de
vacâncias extrínsecas de oxigênio (Vö), de acordo com os espectros Raman. A
coexistência dos íons Ce3+ e Ce4+ na amostra de CeO2 puro foi confirmada por XPS e
medidas de UV-Vis indicaram a coexistência de íons Pr3+ e Pr4+ nas amostras de CeO2
dopado com íons Pr3+. Nanopartículas de formato hexagonal e com tamanho entre 5 e
12 nm para o óxido puro e dopado com íons Eu3+ foram observadas por imagens de MET.
Os valores de área superficial específica dos materiais variaram entre 55 e 163 m2 g-1.
Todas as amostras apresentaram emissão fotoluminescente na região do visível indicando
um grau de ordem-desordem a curto e médio alcances. As amostras de CeO2 puro e
dopado com íons Pr3+ apresentaram emissão fotoluminescente de banda larga. Os
espectros de emissão das amostras dopadas com Er3+ indicaram uma supressão da
fotoluminescência com o aumento da concentração do íon dopante. O perfil de emissão
das amostras dopadas com európio indicou que os íons Eu3+ foram inseridos na rede
cristalina do CeO2 ocupando um único tipo de sítio de simetria. Filmes de CeO2 puro e
dopado com TR3+ foram depositados em substratos de grafite e avaliados como
componentes de baterias à base de íons manganês. Os testes galvanostáticos de carga e
descarga indicaram que as propriedades eletroquímicas do CeO2 são dependentes da
concentração e da natureza do dopante, do tamanho de cristalito e da área superficial
específica. A amostra de CeO2 dopado com 1,0% em mol de Eu3+ apresentou o melhor
desempenho eletroquímico, com capacidade específica de 372,49 mAh g-1 em uma
densidade de corrente de 3,6 mA cm-2, e é promissora para ser utilizada em baterias a
base de íons manganês.
Abstract
Nanostructures of pure CeO2 and doped with 1.0; 2.0 and 4.0 mol% of rare earths (RE),
Er3+, Eu3+ and Pr3+, were prepared using the microwave assisted hydrothermal method.
The crystallite size of the materials varied between 5 and 13 nm, being the lower values
observed for the CeO2 samples doped with 1.0 mol% of the RE3+ ions, indicating that this
concentration inhibited more effectively the crystallites growth. The insertion of RE3+
ions into the CeO2 crystalline lattice generated the formation of extrinsic oxygen
vacancies (Vö), according to the Raman spectra. The coexistence of the Ce3+ and Ce4+
ions in the pure CeO2 sample was confirmed by XPS and UV-Vis measurements indicated
the coexistence of Pr3+ and Pr4+ ions in the CeO2 doped with Pr3+ ions samples. Hexagonal
nanoparticles with sizes between 5 and 12 nm for pure oxide and doped with Eu3+ ions
were observed by TEM images. The specific surface area values of the materials varied
between 55 and 163 m2 g-1. All samples presented photoluminescent emission in the
visible region indicating an order-disorder degree at short and medium reaches. The
samples of pure CeO2 and doped with Pr3+ ions showed a broad band photoluminescent
emission. The emission spectra of Er3+ doped samples indicated a quenching of
photoluminescence with increasing dopant ion concentration. The emission profile of the
samples doped with europium indicated that Eu3+ ions were inserted into the CeO2
crystalline lattice occupying a single type of symmetry site. Pure and doped CeO2 films
were deposited on the graphite substrate and evaluated as component of battery based on
manganese ions. Galvanostatic charge/discharge tests indicated that the electrochemical
properties of CeO2 are dependent of the dopant concentration, crystallite size and specific
surface area. The sample of CeO2 doped with 1.0 mol% Eu3+ presented the best
electrochemical performance, with specific capacity of 372.49 mAh g-1 in a current
density of 3.6 mA cm-2 and is promising to be used in batteries based on manganese ions.
Palavras-chave
Química, Fotoluminescência, Baterias, Óxido de cério, Érbio, Európio, Praseodímio, Nanopartículas, Hidrotérmico de micro-ondas, Chemistry, Photoluminescence, Batteries, Cerium oxide, Erbium, Europium, Praseodymium, Nanoparticles, Microwave hydrothermal
Citação
NONATO, Mônica Aparecida Rodrigues. Estudo da influência dos íons terras raras Er3+, Eu3+ e Pr3+ nas propriedades fotoluminescentes e eletroquímicas do CeO2. 2019. 148 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. DOI http://dx.doi.org/10.14393/ufu.te.2019.628.