Preparação e caracterização de filmes finos de TiO2 dopados com nióbio pelo método sol-gel

Exportado OPUSMade available in DSpace on 2019-08-10T14:11:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 disserta__o_gustavo_vers_o_final_corrigida.pdf: 6155591 bytes, checksum: 6af423c2a08877ab38d89e9a409fff7d (MD5) Previous issue date: 1O dióxido de titânio (TiO2), um material multifuncional amplamente estudado, pode ter suas propriedades moduladas por meio da combinação com outros elementos permitindo o desenvolvimento de materiais de maior desempenho conjuntamente a uma ampliação do espectro de suas aplicações tecnológicas. Nesse contexto e no atual cenário brasileiro, onde cerca de 90% de todas reservas de nióbio do mundo estão localizadas no Brasil, foi realizada a introdução do nióbio na estrutura dos filmes finos de dióxido de titânio utilizando um produto nacional e de baixo custo. Diversas formulações inéditas foram desenvolvidas, partindo do isopropóxido de titânio (IV) como precursor de dióxido de titânio e o complexo de nióbio (oxobisoxalatobisaquoniobato(V) hidratado) como fonte do metal. Os filmes finos foram depositados em substratos de vidro utilizando o processo sol-gel e metodologia dip-coating. Foi realizado um estudo sistemático onde se o variou a temperatura de calcinação de 200 a 500 °C, o número de camadas de uma a cinco, e a concentração de nióbio de 0 a 5% em razão atômica. Os filmes finos em estudo foram caracterizados quanto às suas propriedades ópticas, eletrônicas, morfológicas e texturais. As propriedades ópticas e eletrônicas foram estudadas utilizando-se técnicas como espectroscopia ultravioleta-visível e elipsometria para determinar a função dielétrica, o band-gap óptico, espessura, rugosidade e transmitância dos filmes finos. Os filmes dopados com nióbio se mostraram mais densos e mais absorvedores de luz. As técnicas de difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) e microscopia de força atômica (AFM) foram utilizadas para avaliar as modificações que a inserção de nióbio promoveu na matriz de dióxido de titânio. Um aumento nos parâmetros de rede e distância interplanar, diminuição do tamanho de partícula e cristalito, bem como uma mudança na morfologia superficial e rugosidade dos filmes finos foi observada para os filmes dopados. Os filmes finos de TiO2 e Nb:TiO2 foram testados quanto às suas propriedades hidrofílicas, hidrofóbicas e seu potencial para a fotodegradação de azul de metileno. Em ambos os testes, o filme fino dopado com nióbio se mostrou superior, tendo maior ângulo de contato com a água (superhidrofílico no caso do filme fino tratado a 500 °C) e uma constante de velocidade de reação quase duas vezes maior ao filme fino não dopado. Titanium dioxide (TiO2) is a multifunctional material widely studied, its properties can be modulated through the combination with other elements, allowing the development of materials with higher performance and increasing the technological application of material. In this context and the actual Brazilian scenario, where around 90% of the world niobium reserves are located in the country, it was made the insertion of niobium inside the structure of the titanium dioxide thin films, using a national and with low cost product. Several new formulations were developed, using titanium(IV) isopropoxide as titanium dioxide precursor and a niobium complexe (oxobisoxalatobisaquoniobate(V) hydrated) as source of the metal. Thin films were deposited in a glass substrate using the sol-gel process and dip-coating methodology. A systematic study was carried varying the calcination temperature between 200 and 500 °C, the number of layers (one to five), and the concentration of niobium of 0 to 5% in atomic ratio. The studied thin filmes were characterized by their optical, electronic, morphological and textural properties Optical and electronic properties were studied using ultraviolet-visible and ellipsometry spectroscopy, in order to determine the dielectric function, optical band-gap, thickness, roughness and transmittance of the thin films. The niobium doped thin films showed to be denser and more light absorbers. The X-ray diffraction (XRD), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and atomic force microscopy (AFM) were used in order to evaluate the modifications that the niobium insertion promote to the titanium dioxide matrix. An increase in the lattice parameters and the interplanar distance, shrinking of the particle and crystallite size, changes in the superficial morphology and roughness were observed for the doped thin films. The TiO2 and Nb:TiO2 thin films were tested by their hydrophilic, hydrophobic and photodegradation properties. In both tests, the doped thin film showed to be superior against the undoped thin film. Increasing the contact angle with water (superhydrophilic in the case of the thin film calcinated at 500 °C) and a first order rate constant almost two times bigger than the undoped thin film