Materiais nanoestruturados magnéticos à base de ferro recobertos por carbono: síntese, caracterização e aplicações - Juliana Cristina Tristao (2019)
Neste trabalho de doutorado foi investigada a preparação e caracterização de materiais contendo nanoestruturas magnéticas baseadas em ferro recobertas por carbono na forma de camada e/ou filamentos e nanotubos de carbono por meio de um processosimples e de baixo custo, o processo de deposição química a vapor, conhecido como CVD (Chemical Vapor Deposition). Reações à Temperatura Programada foram utilizadas para o acompanhamento do processo. As fontes de carbono estudadas para o recobrimento foram metano (CH4) e etanol (CH3CH2OH). Os materiais testados comoprecursores de fases magnéticas foram hematita sintética (-Fe2O3), ferritas de Co, Cu e Ni (CoFe2O4, CuFe2O4 e NiFe2O4), o óxido misto suportado Ca2Fe2O5/CaO e o rejeito industrial lama vermelha, rica em óxidos de ferro. Foi também preparado um material formado por uma matriz de carbono contendo nanopartículas magnéticas a partir dapirólise da sacarose contendo sal de ferro disperso. Testes preliminares em aplicações ambientais e catalíticas como adsorventes magnéticos de corantes e suporte de catalisadores foram realizados para grande parte dos materiais produzidos. Inicialmente, metano e etanol foram testados em reações com hematita sintética(-Fe2O3), o óxido de ferro mais comum. A reação entre metano e hematita entre 600-700oC forma essencialmente magnetita (Fe3O4) e à temperaturas mais elevadas forma-se magnetita e wüstita (Fe1-xO) em diferentes proporções. Os resultados sugerem após reação com metano a formação de cerca de 4 % de depósito de carbono e a presença de partículas menores que 200 nm em parte do material produzido. Melhores resultados foram alcançados no estudo da reação de etanol com hematita que proporciona melhor recobrimento e maiores quantidades de depósitos de carbono na forma de filamentos (acima de 44 % de carbono para reações superiores a 700oC). Após ReTP com etanol a 600oC, toda hematita se converte em magnetita, wüstita e ferro metálico (Fe0). À temperaturas mais elevadas, basicamente são formadas as fases carbeto de ferro (Fe3C) e ferro metálico em diferentes proporções. Através de testes de ativação do carbono comCO2 foi possível observar um aumento de 65 % no valor da área superficial. Também se observou a presença de partículas menores que 200 nm em parte do material produzido. A fonte de carbono etanol mostrou melhores resultados que o metano. Dessa forma, partiu-se para o estudo da ReTP entre etanol e outros tipos de precursores da fase magnética, como o rejeito lama vermelha, rico em óxido de ferro, com a intenção de agregar valor a um rejeito industrial. Os resultados mostraram que a ReTP de etanol com o rejeito proporciona a formação de núcleos de ferro metálico recobertos por depósitos de carbono na forma de nanofilamentos e sugerem a presença de partículasmenores que 50 nm. O teor de carbono estimado para os materiais produzidos foi entre 7 e 35 % aproximadamente. Com o objetivo de analisar o material produzido no processo CVD na presença de metais como Co, Cu e Ni, foram estudadas ferritas do tipo CoFe2O4, CuFe2O4 e NiFe2O4. Os resultados mostraram a formação de fases reduzidas como -Fe para a CuFe2O4, a formação das ligas metálicas Ni-Fe e Co-Fe para as ferritas de NiFe2O4 e CoFe2O4, respectivamente, além da presença das fases Fe3C e -Fe(C). Os teores de carbono variaram entre 37 e 45 % para as diferentes ferritas preparadas. Nota-se apresença de filamentos na superfície dos materiais e a presença abundante de partículas magnéticas menores que 100 nm.O próximo precursor da fase magnética investigado em reações com etanol foi o óxido misto suportado formado por Ca2Fe2O5/CaO. Nesta etapa, o objetivo foi estudar a influência do uso do suporte na formação das partículas magnéticas. Após reação com etanol verificou-se a formação das fases Fe0, Fe3C, CaCO3, Ca(OH)2 e CaFe2O4, alémde carbono na forma de nanofilamentos irregulares contendo uma série de partículas de ferro com dimensões na média de 42 nm. Uma das vantagens deste material é que os nanofilamentos magnéticos podem ser separados do suporte por simples dissolução do suporte com tratamento ácido. O último material produzido neste trabalho foi feito através de um processo diferente dos demais já descritos e consiste na pirólise da sacarose contendo sal de ferro disperso com a produção de uma matriz de carbono contendo nanopartículas magnéticas. As análises mostraram que o tratamento térmico a 400oC produz essencialmente magnetita, além de carbono, enquanto que tratamentos em temperaturas mais elevadas como 600 e 800oC levam a formação de fases como ferro metálico e carbeto de ferro. Partículas de dimensões menores que 50 nm encapsuladas por carbonoforam identificadas. Teores variados de carbono foram encontrados, de acordo com a natureza da amostra com valores entre 61 e 95 %.