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Tipo do documento: Dissertação
Título: Síntese de nanocristais/filmes de óxido rutênio (IV), investigação da estrutura eletrônica, propriedades fotocatalíticas e eletroquímicas para supercapacitores
Autor: Silva, Ravane Costa e
Primeiro orientador: Cavalcante, Laécio Santos
Primeiro coorientador: Santos, Reginaldo da Silva
Primeiro membro da banca: Cavalcante, Laécio Santos
Segundo membro da banca: Silva, Everson Thiago Santos Geroncio da
Terceiro membro da banca: Sá, José Luiz Silva
Quarto membro da banca: Luz, Roberto Alves de Sousa
Resumo: A síntese de óxido de rutênio IV (RuO2) foi realizada pelo método hidrotérmico assistido por surfactante aniônico controlado a 90 ºC por 24 h e foi tratado termicamente entre 100 ºC e 500 ºC por 1 h. As amostras obtidas foram caracterizadas estruturalmente, morfologicamente e opticamente por difração de raios-X (DRX), refinamento de Rietveld, microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (MEV-EC) e espectroscopia de reflectância difusa na região do ultravioleta-visível (UV-Vis). Além disso, investigou-se a estrutura eletrônica por cálculos de mecânica quântica dos primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade no nível B3LYP para obter a estrutura de banda eletrônica e densidade de estados e finalmente analisou-se suas propriedades fotocatalíticas e eletroquímicas. A análise estrutural por DRX e dados de refinamento Rietveld indicaram que as amostras tratadas termicamente a 500 ºC por 1 h exibem uma estrutura tetragonal do tipo rutilo e grupo espacial P42/mnm. A morfologia dos cristais de RuO2 foram analisadas por imagens de MEV-EC e mostraram grandes aglomerados formados por vários nanocristais de RuO2 com forma esférica e distribuição média de tamanho estimada entre 12 e 30 nm. As propriedades ópticas foram obtidas experimentalmente e teoricamente através dos espectros de UV-Vis e por cálculos teóricos computacionais, que indicam uma energia de banda proibida óptica governada por transições eletrônicas diretas de 2,60 e 1,92 eV, respectivamente. No estudo destes nanocristais como fotocatalisador para degradação dos corantes alaranjado de metila e rodamina B obteve-se uma descoloração de 93 e 92% após 120 minutos de irradiação sob luz visível, respectivamente. Os nanocristais de RuO2 como filme mostraram boas propriedades como eletrodos em supercapacitores. Este resultado foi comprovado por análises de voltametria cíclica e ensaios de carga-descarga que mostram capacitância específica de 659 F g-1 e 195 F g-1 ambos a 10 mV s-1, em meio ácido e básico, respectivamente. Em meio ácido os nanocristais/filme de RuO2 manteve-se com perfil voltamétrico esperado para supercapacitores mesmo em altas velocidades de varreduras como por exemplo em 1000 mV s-1 e com capacitância específica de 290 F g-1. Além do mais obteve-se resultados significativos de eficiência cíclica de 98,9 e 91,1 % para meios ácido e básicos, respectivamente. Portanto, este estudo comprova o uso de nanocristais de RuO2 como um óxido promissor para a utilização eficiente como catalisador e como material de eletrodo em supercapacitores.
Abstract: The synthesis of ruthenium oxide IV (RuO2) was performed by the hydrothermal method assisted by anionic surfactant controlled at 90 ºC for 24 h and then heat treated between 100 ºC and 500 ºC for 1 h. The obtained samples were characterized structurally, morphologically and optically by X-ray diffraction (XRD), Rietvelds refinement, field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and spectroscopy of diffuse reflectance in the ultraviolet-visible region (UV-Vis). In addition, the electronic structure was investigated by calculations of quantum mechanics of the first principles based on the functional theory of density at the B3LYP level to obtain the band structure and state density and finally analyzed its photocatalytic and electrochemical properties. Structural analysis by XRD and Rietveld refinement data indicated that samples heat treated at 500 ºC for 1 h exhibit a rutile-like tetragonal structure and space group P42/mnm. The morphology of the RuO2 crystals was analyzed by MEV-EC images and showed large agglomerates formed by several RuO2 nanocrystals with spherical shape and mean distribution of estimated size between 12 and 30 nm. The optical properties were obtained experimentally and theoretically through the UV−Vis spectra and computational theoretical calculations, which indicate an optical band gap energy governed by direct electronic transitions of 2.60 and 1.92 eV, respectively. In the study of these nanocrystals as a photocatalyst for the degradation of the methyl orange and rhodamine B dyes, obtained a discoloration of 93 and 92% was obtained after 120 minutes of irradiation under visible light, respectively. RuO2 nanocrystals as films showed good properties as electrodes in supercapacitors. This result was confirmed by cyclic voltammetry analyzes and load-discharge tests showing specific capacitance of 659 F g-1 and 195 F g-1 both at 10 mV s-1, in acidic and basic media, respectively. In an acidic medium the RuO2 nanocrystals/films remained with expected voltammetric profile for supercapacitors even at high scanning speeds, for example at 1000 mV s-1 and with specific capacitance of 290 F g-1. Moreover, significant cyclic efficiency results of 98.9 and 91.1% were obtained for acidic and basic media, respectively. Therefore, this study confirms the use of RuO2 nanocrystals as a promising oxide for efficient use as a catalyst and as electrode material in supercapacitors.
Palavras-chave: Nanocristais de RuO2
Refinamento Rietveld
Banda óptica proibida
Fotocatálise
Supercapacitor
Área(s) do CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Estadual do Piauí
Sigla da instituição: UESPI
Programa: Programa de Pós-Graduação em Química
Citação: SILVA, Ravane Costa e. Síntese de nanocristais/filmes de óxido rutênio (IV), investigação da estrutura eletrônica, propriedades fotocatalíticas e eletroquímicas para supercapacitores. 2019. 74 f. Dissertação: Programa de Pós-Graduação em Química - Universidade Estadual do Piauí, Teresina.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: http://localhost:8080/tede/handle/tede/170
Data de defesa: 9-Aug-2019
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