Propriedades magnéticas de espinélios MFe2O4 (M = Co, Cu, Ni, Zn) obtidas pelo método hidrotermal com micro-ondas.

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

Materiais

Autores

Melo, R.S. (UFG) ; Sinfrônio, F.S.M. (UFMA) ; Silva, F.C. (UFMA)

Resumo

Óxidos ferromagnéticos têm sido amplamente empregados no desenvolvimento de dispositivos eletromagnéticos. Neste contexto, ferritas do tipo MFe2O4 (M = Co, Cu, Ni, Zn) foram sintetizadas pelo método hidrotermal por micro-ondas e caracterizadas pelas técnicas de DRX, FTIR, Raman, MEV e VSM. Os resultados das caracterizações mostram a formação de estruturas monofásicas de CoFe2O4, NiFe2O4 e ZnFe2O4 e bifásicas de CuFe2O4, (fase secundária de CuO). A ferrita de Zinco mostrou-se paramagnética enquanto as demais mostraram-se ferromagnéticas.

Palavras chaves

ferrita; hidrotermal c/micro-ondas; propriedades magnéticas

Introdução

Materiais baseados em cerâmicas de metais de transição e terras raras, tais como ferritas de estrutura espinélio, têm despertado grande interesse comercial devido as suas propriedades elétricas e magnéticas - alta resistividade e permeabilidade magnéticas, baixas perda por histerese, baixa força coerciva e significativa estabilidade térmica e química, baixas perdas dielétricas na faixa do micro-ondas, alta anisotropia magnetocristalina, dentre outras. Ferritas do tipo espinélio (AB2O4) apresentam um arranjo cúbico de face centrada, na qual seus íons metálicos encontram-se distribuídos ao longo de sítios tetraédricos e octaédricos presentes em suas redes cristalinas. Desta forma, estas podem ser empregadas no desenvolvimento de sensores ótico- magnéticos, dispositivos de gravação magnética de alta densidade, núcleos transformadores de alta frequência, hastes de antena, bobinas de radiofrequência e, mais recentemente, de radares (BAYRAKDAR et al., 2013). Vários são os métodos empregados para a obtenção deste materiais ferrimagnéticos, dentre os quais destacam-se: sol-gel, precursores poliméricos, coprecipitação, reação de combustão, condensação em gás inerte, precipitação oxidativa (SILVA et al. 2014). Vale observar, entretanto que o método hidrotermal assistido por micro-ondas possibilita reduzir os tempos e/ou temperaturas de processamento, bem como elevar a reprodutibilidade e pureza das fases obtidas (WANG, 2011). Assim, este trabalho tem como objetivo sintetizar e caracterizar ferritas MFe2O4 (M = Co, Ni, Cu, Zn) obtidas pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas.

Material e métodos

As ferritas foram obtidas pelo Método hidrotermal assistido por micro-ondas. Para tanto, foram preparadas soluções 0,05 mol.L-1, dos nitratos de Níquel, Zinco, Cobre, Cobalto e Ferro. As misturas foram realizadas obedecendo as fórmulas NiFe2O4, ZnFe2O4, CoFe2O4 e CuFe2O4, transferindo-as para o recipiente de teflon (vaso do reator). O pH da mistura foi elevado à aproximadamente 13 com ajuda de uma solução NaOH 2 mol.L-1. Em seguida a mistura foi levada ao reator hidrotermal de micro-ondas nas seguintes condições reacionais: 100 °C; 40 min, razão de aquecimento de 10 °C.min-1. O material precipitado foi separado através de filtração simples e o pó obtido foi lavado diversas vezes com água deionizada até que se atingisse pH 7. O pó foi seco em estufa a 100 °C, macerado em almofariz e tratado termicamente a 900 °C por 4 horas em forno mufla. As medidas de DRX foram realizadas em um equipamento DRX da Rigaku, modelo Miniflex II usando a radiação Kα de cobre. Os espectros de FTIR foram obtidos utilizando-se um espectrofotômetro de Infravermelho por Transformada de Fourier IRprestige-21 (SHIMADZU), usando pastilhas de KBr, na região de 1000 a 400 cm-1 para uma melhor resolução da região característica das ferritas (espinélios). Os espectros vibracionais Raman foram obtidos num espectrofotômetro Jobin-Yvon LABRAM-HR, equipado com um microscópio confocal Olympus. As micrografias foram obtidas utilizando um microscópio eletrônico de varredura com canhão de emissão por efeito de campo da marca FEI, modelo Quanta 200 FEG, na voltagem de 5,0 KV e magnificação de 20 - 400.000 vezes. Por fim, as imagens foram processadas via Adobe Photoshop® versão CS6. As curvas de magnetização foram determinadas utilizado eletroímã com fonte estabilizadora de tensão Tectrol, modelo 40-100A e um magnetômetro de amostra Vibrante (VSM) fabricado pela EG&G Princetn Applied Research, modelo 4500.

Resultado e discussão

As ferritas de cobalto, níquel e zinco apresentaram estruturas cúbicas monofásicas de acordo com as fichas padrões JCPDS 00-001-1121, JCPDS 01-074- 2081 e JCPDS 03-065-3111. De acordo com a indexação do plano cristalográfico, os cristais estão organizados segundo o grupo espacial Fd3m, em consonância com Hashim e colaboradores (2012). Já a ferrita de cobre apresentou três fases distintas: estrutura de ordenamento simétrico tetragonal, de grupo espacial I41/amd (JCPDS 00-034-0425), estrutura cúbica de grupo espacial Fd3m (JCPDS 01-077-0010) e uma fase de CuO monoclínica (JCPDS 01-072-0629). As características morfológicas dos materiais de estruturas cúbicas assumem formas pseudoesféricas coalescentes; enquanto, a ferrita tetragonal adota uma morfologia triangular formada pela justaposição de placas paralelas. As análises de FTIR mostraram os modos vibracionais da ligação Fe-O por volta de 603-611 cm-1 nos sítios tetraédricos nas ferritas de Co, Cu e Ni e em 406-411 cm-1 nos sítios octaédricos para as ferritas de Co e Cu (Naik e Salker, 2012). As ligações Co-O, Cu-O e Ni-O apresentaram-se nas regiões em 574-581, 607-661 e 401-479 cm-1 respectivamente. Para a ferrita de zinco (espinélio normal) modos vibracionais foram encontrados nas regiões 578-598 cm-1 nos sítios octaédricos (Fe-O) e para os sítios tetraédricos (Zn-O) por volta de 411-448 cm-1 (SUJATHA et al. 2012). Os espectros de raman apresentaram modos vibracionais em 172, 477 348 e 552 cm-1 referentes ao modo T2g e nas regiões em 620, 690, 651 e 671 cm-1 ao modo A1g para as ferritas de Co, Ni, Zn e Cu. Os modos em 304, 248 cm-1 são alusivos ao modo Eg nas ferritas de Co e Zn (DIXIT et al., 2012). As ferritas de Cobalto e Níquel cristalizaram na forma de espinélios inversos e tiveram um comportamento ferromagnético sendo o mesmo explicado de acordo com a distribuição dos cátions na estrutura, onde ocorre um arranjo antiparalelo dos momentos magnéticos, alusivos aos íons Fe3+ (sítios tetraédricos) e Co2+/Ni2+ (sítios octaédricos) (HAJALILOU et al., 2014). O comportamento magnético da ferrita de Cobre assemelha-se ao das ferritas de Cobalto e Níquel e apresentou valores de magnetização de saturação e coercividade muito próximos com os da literatura (PONHAN e MAENSIRI, 2009). Na ferrita de Zinco não foi observada curva de histerese e a mesma apresentou-se com característica paramagnética, apresentando baixos valores de saturação e coercividade.

Difratogramas das ferritas CoFe2O4, NiFe2O4, CuFe2O4 e ZnFe2O4


Curvas de magnetização das ferritas CoFe2O4, NiFe2O4, CuFe2O4 e ZnFe2O4

Conclusões

Ferritas de Cobalto, Níquel e Zinco monofásicas de estrutura cúbica e ferrita de Cobre tetragonal e cúbica, com impureza de CuO, foram pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas. Os materiais mostraram característica de materiais magnéticos moles, com comportamento ferromagnético para as ferritas de Cobalto, Níquel e Cobre e paramagnético para a ferrita de Zinco.

Agradecimentos

UFMA, CAPES, CNPq, FAPEMA

Referências

BAYRAKDAR, H., ESMER, K., Dielectric characterization of NixCo1-xFe2O4 nanocrystals thin film over a broad frequency range (1 MHz-3GHz). Journal of Applied Physics, 107, 2010, 598 – 600.

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