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Tipo de Documento: Dissertação
Título: Análise microestrutural de nanopartículas de α-fe2-xcoxo3 (0≤x≤0.15) por difratometria de raios X
Autor(es): Raza, Adnan
Data do documento: 26-Fev-2025
Orientador: Ferreira, Nilson dos Santos
Resumo: Neste estudo, foram investigados a síntese, caracterização estrutural e propriedades de nanopartículas cristalinas de hematita pura e dopada com cobalto em diferentes concentrações nominais [α-Fe₂₋ₓCoₓO₃ (x = 0.00, 0.05, 0.10 e 0.15)]. As nanopartículas foram sintetizadas utilizando o método sol-gel, escolhido por sua simplicidade, baixo custo e capacidade de produzir nanopartículas de alta qualidade com composição uniforme. Neste estudo, a otimização do processo for realizada com foco na temperatura. Análises estruturais e morfológicas foram realizadas por difração de raios X (XRD) e refinamento de Rietveld.Os resultados de XRD revelaram que todas as amostras apresentaram boa cristalinidade, com picos de difração correspondentes à estrutura romboédrica (grupo espacial R3c). Deslocamentos não lineares dos picos de difração para ângulos menores foram observados com o aumento da dopagem de cobalto, indicando modificações na estrutura da rede cristalina. A largura total à meia altura (FWHM) e a intensidade apresentaram maiores flutuações, enquanto as posições dos picos mudaram continuamente com a dopagem. O refinamento de Rietveld confirmou a formação de hematita pura (α-Fe₂O₃) na amostra não dopada e uma fase secundária de ferrita de cobalto (CoFe₂O₄) nas amostras dopadas. As porcentagens da fase secundária foram de 5.36%, 6.53% e 8.32% para x = 0.05, 0.10 e 0.15, respectivamente, aumentando com a concentração de cobalto. A análise estrutural indicou mudanças significativas nos parâmetros da rede e um aumento no tamanho dos cristalitos com a dopagem. Os valores do tamanho dos cristalitos aumentaram de 38,69 nm para hematita pura (x = 0) para 60.24 nm, 46.67 nm e 77.24 nm para concentrações de dopagem de cobalto de x = 0.05, 0.10 e 0.15, respectivamente. A densidade aumentou ligeiramente 4 com a dopagem, de 5.373 g/cm³ (x = 0.00) para 5.374 g/cm³ (x = 0.15), devido à substituição de átomos de Fe por Co, enquanto o volume da célula unitária diminuiu de 300.977 ų para 300.395 ų. Os valores dos parâmetros da rede diminuíram para ambas as fases com o aumento da concentração do dopante. Os valores de deformação foram de 2.89%, 4.11%, 3.89% e 3.28% para x = 0.00, 0.05, 0.10 e 0.15, respectivamente, destacando a influência do cobalto na rede cristalina. Esses resultados demonstram que a dopagem com cobalto modifica significativamente as características estruturais e morfológicas das nanopartículas de hematita, oferecendo informações sobre a modificação de suas propriedades para uma variedade de aplicações tecnológicas.
Abstract: In this study, the synthesis, structural characterization, and properties of crystalline nanoparticles of pure and cobalt-doped hematite with varying nominal concentrations [αFe₂₋ₓCoₓO₃ (x = 0.00, 0.05, 0.10, and 0.15)] were investigated. The nanoparticles were synthesized using the sol-gel method, which was chosen for its simplicity, low cost, and ability to produce high-quality nanoparticles with uniform composition. In this study, the optimization of the process was carried out with a focus on temperature. Structural and morphological analyses were performed using X-ray diffraction (XRD) and Rietveld refinement techniques. The XRD results revealed that all samples exhibited good crystallinity, with diffraction peaks corresponding to the rhombohedral structure (space group R3c). Non-linear shifts in diffraction peaks to lower angles were observed with increasing cobalt doping, indicating modifications in the lattice structure. The full width at half maximum (FWHM) and intensity showed greater fluctuation, while peak positions continuously shifted with doping. Rietveld refinement confirmed the formation of pure hematite (α-Fe₂O₃) in the undoped sample and a secondary cobalt ferrite (CoFe₂O₄) phase in the doped samples. The percentages of the secondary phase were 5.36%, 6.53%, and 8.32% for x = 0.05, 0.10, and 0.15, respectively, increasing with cobalt concentration. Structural analysis indicated significant shifts in lattice parameters and increased crystallite size with doping. Crystallite size values increased from 38.69 nm for pure hematite (x=0) to 60.24 nm, 46.67 nm, and 77.24 nm for cobalt doping concentrations of x = 0.05, 0.10 and 0.15, respectively. Density increased slightly with doping, from 5.373 g/cm³ (x=0.00) to 5.374 g/cm³ (x=0.15), due to cobalt atom substitution, while the unit cell volume decreased from 300.977 ų to 300.395 ų. Lattice 6 parameter values for both phases decreased with higher dopant concentrations. The strain values were found to be 2.89%, 4.11%, 3.89%, and 3.28% for x = 0.00, 0.05, 0.10, and 0.15, respectively, highlighting the influence of cobalt on the crystal lattice. These findings demonstrate that cobalt doping significantly modifies the structural and morphological characteristics of hematite nanoparticles, offering insights into tailoring their properties for various technological applications.
Palavras-chave: Nanopartículas de hematita
Hematita dopada com cobalto
Síntese por sol-gel
Caracterização estrutural
Difração de raios X (XRD)
Refinamento de Rietveld
Parâmetros de rede
Tamanho de cristalito
Deformação da rede cristalina
Hematite nanoparticles
Cobalt-doped Hematite
Sol-gel synthesis
Structural characterization
X-ray diffraction (XRD)
Rietveld refinement
Lattice parameters
Crystallite size
Crystal lattice strain
área CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Agência de fomento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Idioma: eng
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Física
Citação: RAZA, Adnan. Análise microestrutural de nanopartículas de α-fe2-xcoxo3 (0≤x≤0.15) por difratometria de raios X. 2025. 88 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2025.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/22715
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