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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Cerâmicas ferroelétricas livres de chumbo baseadas em BaTiO3 para armazenamento de energia
Alternate title (s): Lead-free ferroeletric ceramics based on BaTiO3 for energy storage
Author: Dornelas, Ramon Guilherme Flávio
First Advisor: Guerra, José de los Santos
First coorientator: Garcia, Jose Eduardo
First member of the Committee: Monte, Adamo Ferreira Gomes do
Second member of the Committee: Souza, Fabrício Macedo de
Third member of the Committee: Oliveira, Marco Aurélio de
Fourth member of the Committee: Portugal, Roney Junio de
Fifth member of the Committee: Guerra, José de los Santos
Summary: No presente trabalho, cerâmicas ferroelétricas livres de chumbo baseadas em titanato de bário (BaTiO3) foram sintetizadas e investigadas, visando sua aplicabilidade em dispositivos de armazenamento de energia. Para tanto, foi considerada a inclusão do íon de estanho (Sn) na estrutura perovskita de BaTiO3 (BT), no intuito de estudar a influência do substituinte nas propriedades físicas do sistema BaTi1–xSnxO3 (BTS), sendo x = 0,03; 0,06; 0,09; 0,12; 0,15 e 0,20). As amostras foram sinterizadas pelo método de reação do estado sólido, usando reagentes (óxidos e carbonatos com alta pureza). As propriedades estruturais, investigadas pelas técnicas de difração de raios-X e espectroscopia Raman, confirmaram a formação da estrutura perovskita para todos os casos, revelando uma coexistência de fases dependendo da composição analisada. De fato, composições com concentrações de estanho no intervalo de 0,03 < x < 0,09 revelaram coexistência das fases ferroelétricas com simetrias ortorrômbica e tetragonal. Por outro lado, as composições 0,12 e 0,15 mostraram coexistência das fases ferroelétrica e paraelétrica, com simetrias romboédrica e cúbica, respectivamente, enquanto a composição 0,20 evidenciou ser monofásica com característica paraelétrica cúbica. Os resultados revelam, portanto, uma forte influência do cátion Sn4+ nas características estruturais e vibracionais do sistema BT. As propriedades dielétricas, por outro lado, mostraram uma diminuição da temperatura de transição de fases ferroelétrica-paraelétrica (de altas temperaturas) com o aumento do conteúdo de estanho, enquanto as temperaturas de transição de fases ferroelétrica-ferroelétrica (de baixas temperaturas) mostraram um aumento ao aumentar a concentração de Sn. Esta mudança pode estar associada com a influência da mudança e coexistência de fases, com o aumento do conteúdo do substituinte. O aumento do teor de estanho induziu também um alargamento do pico de máxima permissividade, indicando um aumento na difusividade da transição de fases promovido pela desordem catiônica no sítio B da estrutura perovskita. Além do mais, as propriedades ferroelétricas permitiram estimar os valores de energia recuperável, bem como a eficiência de energia armazenada, revelando uma optimização dos valores para a composição com x = 0,15 (~44,98 mJ/cm² e 77 %, respectivamente), sendo estes superiores aos reportados na literatura para outros sistemas livres de chumbo.
Abstract: In this work, barium titanate (BaTiO3) based lead-free ferroelectric ceramics were synthesized and investigated, viewing their applicability in energy-storage devices. The inclusion of the tin (Sn) ion in the perovskite structure of the BaTiO3 (BT) system has been then considered, in order to study the influence of the replacement content on the physical properties of the BaTi1–xSnxO3 (BTS) system, where x = 0.03, 0.06, 0.09, 0.12, 0.15 and 0.20). The samples were sintered from the solid-state reaction method from high-purity chemical grades. The structural Properties, investigated from X-ray diffraction and Raman spectroscopy techniques, confirmed the formation of the perovskite structure for all the cases, revealing a phases’ coexistence depending on the analyzed composition. In fact, samples in the 0.03 < x < 0.09 compositional range evidenced the coexistence between ferroelectric phases with orthorhombic and tetragonal symmetries. On the other hand, the 0.12 and 0.15 compositions revealed the coexistence of the ferroelectric and paraelectric phases, with rhombohedral and cubic symmetries, respectively, whereas the samples with x = 0.20 has shown to be a single-phase composition with the cubic paraelectric characteristic. Therefore, results reveal a strong influence of the Sn4+ cation on the structural and vibrational characteristics of the BT system. On the other hand, the dielectric properties have shown a decrease in the ferroelectric-paraelectric (high temperature) phases’ transition temperature with the increase in the tin content, whereas the low temperature ferroelectric-ferroelectric phases’ transition temperatures increased as the Sn concentration increases. Such a variation could be associated to the influence of both change and coexistence of the involved phases, with the increase of the replacement cation. The increase in the Sn concentration also promoted an enlargement in the maximum permittivity peak, indicating a diffuse-type phases’ transition promoted by cationic disorder at the B-site of the perovskite structure. Furthermore, the ferroelectric properties allowed to estimate the recovered energy as well as the storage-energy efficiency for the x = 0.15 composition (~44.98 mJ/cm² and 77 %, respectively), being both higher than the reported for other lead-free systems in the literature.
Keywords: Materiais livres de chumbo
Titânato de bário
Ferroelétricos
Relaxores
Armazenamento de energia
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::MATERIAIS DIELETRICOS E PROPRIEDADES DIELETRICAS
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Subject: Física
Energia - Armazenamento
Chumbo
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Quote: DORNELAS, Ramon Guilherme Flávio. Cerâmicas ferroelétricas livres de chumbo baseadas em BaTiO3 para armazenamento de energia. 2025. 109 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.182
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.182
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/45043
Date of defense: 7-Mar-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
Appears in Collections:TESE - Física

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