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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-6976-690X
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Nanopartículas de óxidos binários a base de SiO2 e Gd2O3 dopados com terras raras para conversão de energia via upconversion e downshiffting
Alternate title (s): SiO2 and Gd2O3 binary oxide nanoparticles doped with rare earths for energy conversion via upconversion and downshiffting
Author: Rezende, Thais Karine de Lima
First Advisor: Ferrari, Jefferson Luis
First member of the Committee: Canobre, Sheila Cristina
Second member of the Committee: Reis, Miria Hespanhol Miranda
Third member of the Committee: Araujo, Clodoaldo Irineu Levartoski de
Fourth member of the Committee: Aquino, Felipe Thomaz
Summary: Os materiais à base de Terras Raras (TR) destacam-se pelas propriedades ópticas únicas, como a conversão de energia entre diferentes comprimentos de onda, com aplicações em diversas áreas. Este trabalho apresenta a síntese e caracterização estrutural e espectroscópica de SiO2-Gd2O3 dopados com Er3+, Yb3+ e Eu3+ (Er3+: 0,0 – 0,3; Yb3+: 0,0 – 1,2; Eu3+: 0,0 – 7,0 % em mol), visando sua aplicação como conversores de energia. Os materiais foram sintetizados pelo método sol-gel e tratados termicamente por 8 h a 900 °C. Por DRX foram observados picos finos e intensos relacionados com a formação do Gd2O3 cristalino na estrutura cúbica com grupo espacial Ia3 (206), com inserção eficiente dos dopantes na matriz. Por meio de refinamento de Rietveld observou-se um aumento nos valores de parâmetros de rede, microdeformação entre 0,221 e 0,524 %, e tamanho de cristalito entre 55,38 e 163,37 nm. Por IVTF e Raman foi possível observar bandas referentes a ambos Gd2O3 cúbico e SiO2. Por UV-Vis, foram observadas bandas de absorção relacionadas com a matriz, e os três íons dopantes e o bandgap dos materiais foi calculado entre 4,98 e 5,18 eV. Por MEV, foram observados bastões poliédricos e nanoestruturas de formas e tamanhos irregulares, sem influência aparente dos dopantes na matriz. Os resultados de MET indicaram nanopartículas não homogêneas de Gd2O3 cristalinos dispersos em sílica amorfa. Por EDS foi possível detectar todos os elementos que compõe o material, além de evidente a formação e a distribuição das NPs dispersas em sílica. Os materiais apresentaram com sucesso o fenômeno de downshiftting sob excitação em 266 nm e 390 nm, com emissões na região visível entre 460 e 720 nm (relacionadas com Eu3+ e Er3+). Os tempos de vida do estado excitado sob excitação em 405 nm variaram de 0,567 ms a 1,556 ms na emissão em 611,5 nm e de 0,291 ms a 1,617 ms para transições do Er³⁺ em 650,5 nm. Além disso, o upconversion foi observado sob excitação em 800 nm com emissões entre 525 e 575 nm, características dos íons Er3+. Os materiais SGEY, SGEYE1 e SGEYE5 foram testados quanto a sua citotoxicidade e os resultados indicaram que possuem um perfil de baixa toxicidade para células SKOV-3, especialmente em menores concentrações de Eu3+. Por apresentarem ambos os processos de upconversion e downshiftting, os materiais se mostram candidatos promissores para aplicação em conversão de energia na área de fotônica.
Abstract: Rare Earth (RE) based materials stand out for their unique optical properties, such as the conversion of energy between different wavelengths, with applications in various areas. This study presents the synthesis, structural, and spectroscopic characterization of SiO2-Gd2O3 materials doped with Er3+, Yb3+, and Eu3+ (Er3+: 0.0–0.3; Yb3+: 0.0–1.2; Eu3+: 0.0–7.0 mol%) for use as energy converters. The materials were synthesized using the sol-gel method and thermally treated for 8 hours at 900 °C. X-ray diffraction (XRD) analysis revealed sharp and intense peaks associated with the formation of crystalline Gd2O3 in a cubic structure with space group Ia3 (206), with efficient incorporation of dopants into the matrix. Rietveld refinement showed increases in lattice parameter values, microstrain from 0.221 to 0.524%, and crystallite sizes between 55.38 and 163.37 nm. FTIR and Raman spectroscopy confirmed the presence of bands corresponding to both cubic Gd2O3and SiO2. UV-Vis spectroscopy revealed absorption bands associated with the matrix and the three dopants, with calculated from 4.98 to 5.18 eV. Scanning electron microscopy (SEM) revealed polyhedral rods and nanostructures with irregular shapes and sizes, with no apparent influence of the dopants on the matrix morphology. Transmission electron microscopy (TEM) analysis indicated heterogeneous Gd2O3 crystalline nanoparticles dispersed in amorphous silica. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the presence of all elements in the material, as well as the EDS maps presented the formation and distribution of NPs within the silica matrix. Photoluminescence spectroscopy demonstrated successful downshifting under excitation at 266 nm and 390 nm, with visible emissions in the 460–720 nm range, attributed to Eu³⁺ and Er3+. Excited-state lifetimes under 405 nm excitation ranged from 0.567 ms to 1.556 ms at 611.5 nm emission and from 0.291 ms to 1.617 ms for Er3+ transitions at 650.5 nm. Furthermore, the upconversion was observed under 800 nm excitation, with emissions between 525 and 575 nm characteristic of Er³⁺ ions. The SGEY, SGEYE1 and SGEYE5 materials were tested for their cytotoxicity and the results indicated that they have a low toxicity profile against SKOV-3 cells, especially at lower Eu3+ concentrations. Exhibiting both upconversion and downshifting processes, the SiO2-Gd2O3:Er3+/Yb3+/Eu3+ materials (Er3+: 0.0–0.3; Yb3+: 0.0–1.2; Eu3+: 0.0–7.0 mol%) thermally treated at 900 °C for 8 hours are promising candidates for energy conversion applications in photonics.
Keywords: Nanomateriais
Terras raras
Conversão de energia
Materiais Inorgânicos
Nanomaterials
Rare Earths
Energy conversion
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Subject: Química
Nanotecnologia
Energia limpa
Geração de energia fotovoltaica
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Quote: REZENDE, Thaís Karine de Lima. Nanopartículas de óxidos binários a base de SiO2 e Gd2O3 dopados com terras raras para conversão de energia via upconversion e downshiffting. 2025. 121 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.539.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.539
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46712
Date of defense: 28-Jul-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 - Química

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