http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10853-006-0763-7

Synthesis by the solution combustion process and magnetic properties of iron oxide (Fe3O4 and α-Fe2O3) particles

• Juliano Toniolo 
• , Antonio S. Takimi
• , Mônica J. Andrade
• , Renato Bonadiman
• ,Carlos P. Bergmann




Interpretação do Artigo


Artigo sobre a síntese pelo processo de combustão em solução para a obtenção de propriedades magnéticas em partículas de hematita e magnetita


O artigo descreve como técnica aplicável à combustão da solução do óxido de ferro em pó, a utilização da uréia como combustível e do nitrato férrico como um oxidante.
Os últimos desenvolvimentos de partículas magnéticas nanométricas funcionalizadas mostram uma considerável promessa para novas aplicações, tais como catalisadores, pigmentos, agentes de sinterização, componentes para fotônica, drogas e produtos para biomedicina.
Óxidos de ferro tais como o Fe₂O₃ e Fe₃O₄ apresentam propriedades de ferromagnetismo, estes óxidos apresentam propriedades magnéticas inferiores aos ferromegnéticos, no entanto os óxidos de ferro são menos sensíveis à oxidação, com isto conseguem manter resposta magnéticas estáveis por mais tempo.
Alguns trabalhos anteriores mostram que partículas de magnetita foram preparadas pela co-precipitação de cloretos de Fe₃⁺ e Fe₂⁺ em soluções aquosas e sistemas de agentes tensoativos, partículas de hematita são também obtidas pela reação de precipitação por hidrólise.
Outro método de formação de partículas de magnetita produzida por precipitação utiliza a força da mistura em solução aquosa sem qualquer tipo de agente tensoativo, outro método que se caracteriza por método alternativo para a preparação de partículas magnéticas e que oferecem características marcantes á a síntese de combustão por solução.
A novidade do presente trabalho demonstra que os óxidos de ferro (pós de magnetita e hematita) foram obtidos através do processo da combustão do nitrato de ureia, o comportamento e características da magnetita obtida foi avaliado através de análise de laboratório.
Nenhum trabalho anterior relata o supermagnetismo dos pós de Fe₃O₄ e Fe₂O₃ obtidos por síntese de combustão em solução, o artigo em estudo difere de estudos já publicados na literatura.
O processo de síntese por combustão em solução é capaz de produzir partículas finas e homogêneas por atomização do líquido, isto só é possível pela natureza explosiva da reação, o pó restante pirolisado pode ser a única fase do produto final, mas geralmente será a combinação de óxidos de metais o resultado final do processo. A homogeneidade é conseguida principalmente através do sistema de solução da mistura em escala atômica, e a difusão é limitada ao tamanho da gotícula de líquido antes da secagem ou combustão.
O sucesso do processo pode ser garantido devido a uma mistura entre os componentes que utilizam um combustível adequado a um agente complexante em um meio aquoso, gerando uma reação redox exotérmica entre um combustível e um oxidante.
Nitratos hidratados foram selecionados como matais precursores, o NO₃ (agente oxidante), com elevada solubilidade em H₂O permite uma solubilidade e homogeneização adequada.
A ureia é um combustível que promove a formação de pequenos cristais, e atua como agente de complexação para o não-ferroso, isto acontece uma vez que contém dois grupos amina nas extremidades da estrutura esperada. No presente trabalho é relatado a síntese de pós de óxido de ferro (Fe₃O₄ e Fe₂O₃) usando ureia como combustível e nitrato férrico como oxidante.
Os pós obtidos foram avaliados por microscopia eletrônica de varredura, difração de raio X e magnetômetro vibracional. Entalpias foram calculadas teoricamente para todas as reações.
Para o procedimento experimental foram utilizados o nitrato férrico, a água e a ureia como material de partida. O nitrato férrico e a ureia foram cuidadosamente dissolvidos em água, e a solução foi submetida ao aquecimento continuamente até que a solução de nitrato férrico e ureia tornar-se um gel viscoso transparente, este produto foi submetido a combustão originando um sólido expandido volumoso, que originou nos pós sintetizados.
Os pós sintetizados, sem qualquer tipo de tratamento adicional, foram caracterizados por difração de raio X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), e magnetômetro vibracional.
Para os resultados e discussões observou-se que a técnica leva em conta que a ureia e o nitrato férrico se decompõem termodinamicamente, a reação da decomposição de 1 mol de ureia produz a liberação de diferentes gases, enquanto que o nitrato férrico produz a formação de óxidos de ferro.
De um ponto de vista termodinâmico, a reação química do nitrato férrico, juntamente com a ureia pode ser feita através de várias condições, levando a evolução e obtenção de vários produtos.
Os resultados sugerem que a interação combustível-oxidante resulta na formação de Fe₃O₄ que reage com o O₂ da atmosfera para se obter um Fe₂O_3. Com este efeito é difícil sintetizar um cristal monofásico Fe₃O₄ via síntese de solução de combustão devido ao fato que as monopartículas tendem a oxidar-se à temperatura e pressão da decorrência do processo de combustão. O obstáculo crítico da conversão da hematita para a magnetita é a formação da segunda fase termodinâmicamente estável ao longo de uma pressão restrita e baixas temperaturas.
O grau de conversão pode aumentar com a pressão do oxigênio, esta pressão contribui substancialmente para as modificações que foram feitas na temperatura de combustão a com a propagação da combustão. Os resultados tendem a indicar que os pós obtidos através das reações ricas em combustível tem maiores tamanhos cristalinos em comparação com os precursores estequiométricos de combustão pobre.
A combustão relativamente elevada obtida através da quantidade de combustível pode afetar adversamente as características do pó, tais como o aumento do tamanho cristalino, a criação de partículas maiores é atribuída as elevadas temperaturas de sinterização.
A quantidade da fase magnetita é um fator determinante para o comportamento magnético, o tamanho cristalino pode influenciar na saturação da magnetização, possivelmente pode haver uma competição entre o efeito da formação da magnetita e a fase cristalina, podendo influenciar no tamanho e no desempenho do produto do pó magnético.
A morfologia dos aglomerados de óxido de ferro revelou partículas aglomeradas expandidas com ampla distribuição e a presença de alguns vazios na sua estrutura. A formação destas características é atribuída ao fato de que as partículas tendem a temperaturas de combustão. As propriedades magnéticas dos pós sintetizados do óxido de ferro mostram os laços de histerise tal como sintetizados, eles não alcançam um valor de saturação, isto é característica típica de materiais magnéticos suaves.
Nos pós sintetizados sob reações ricas em ureia a saturação da magnetização foi notadamente mais elevada em comparação com outro combustível oxidante, o produto resultante obteve características de materiais magnéticos duros, este resultado parece ser causado pela dependência da quantidade da fase de magnetita.
O teor de impurezas ou cristalização pobre pode afetar o comportamento magnético dos pós, reduzindo a magnetização e aumentando ligeiramente a fase coercitiva. A magnetização máxima resultante dos pós apresentaram uma forte dependência da proporção do combustível oxidante que foi empregado. Os melhores resultados estão presentes e resumidos no óxido de ferro monocristalino, que contém fases de magnetita e foram sintetizados em processo de solução de combustão. Este método tem a vantagem de produzir óxido de ferro ultra-fino com muita rapidez, o tamanho da partícula aumenta quando o não-ferroso está presente em excesso.
A modelagem termodinâmica da reação de combustão mostra que quando a relação combustível/oxidante aumenta, a quantidade de gá produzido e o calor da reação também tendem a aumentar.


Comentários Sobre o Artigo


A interpretação do presente artigo levou ao entendimento da reação da sintetização da magnetita através da reação de combustão usando o nitrato férrico como oxidante e a ureia como combustível.
O desenvolvimento de materiais com tecnologia nanométricas torna-se necessário para a evolução natural, existe a necessidade e demanda por materiais com características próprias, o material do estudo é tido como o desenvolvimento de partículas nanométricas magnéticas funcionalizadas, a viabilização deste material significa a sua possível utilização em novas e diversas aplicações como catalisadores, pigmentos magnéticos, estudos aplicados a fotônica, drogas para tratamentos de diversas doenças, produtos para a biomedicina, entre outra aplicações possíveis.
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