Estudo das propriedades estruturais, óticas e magnéticas de nanopartículas de Ce1−xMxO2−δ dopados com diferentes teores de M(x) = Cu2+, Zn2+, Co2+, Zr4+ e Gd3+

Abstract

Esta tese de doutorado investiga as propriedades estruturais, ópticas e magnéticas de nanopartículas (NPs) de óxido de cério dopadas com diferentes teores de gadolínio e metais de transição na composição Ce1−xMxO2−δ, com M(x) = Cu2+, Zn2+, Co2+, Zr4+ e Gd3+ 0, 00 ≤ x ≤ 0, 20. As NPs foram sintetizadas pelo método de precipitação homogênea e caracterizadas por técnicas como Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Absorção Óptica na região do Ultravioleta-Visível (UV-Vis), Espectroscopia Raman e magnetometria. As análises de DRX e MET revelaram que as propriedades estruturais e morfológicas das NPs são altamente dependentes do tipo e do teor dos íons dopantes. A substituição crescente de íons Ce4+ por íons Mn+ leva à formação aprimorada de vacâncias de oxigênio e à coexistência de íons Ce3+ e Ce4+ dentro da estrutura cristalina. Constatou-se que essas vacâncias de oxigênio desempenham um papel fundamental nas propriedades físicas das NPs, influenciando não apenas a estrutura cristalina, mas também as propriedades ópticas e magnéticas. A análise das curvas de magnetização permitiu estimar os teores de íons Ce3+ e de vacâncias de oxigênio, os quais foram utilizados para calcular os parâmetros de rede das estruturas cristalinas das NPs de Ce1−xMxO2−δ. A caracterização magnética revelou um comportamento paramagnético predominante em todas as amostras à temperatura ambiente, com uma contribuição adicional ferromagnética de baixa intensidade. Esse ferromagnetismo residual foi atribuído aos centros-F formados pelas vacâncias de oxigênio, que promovem acoplamentos magnéticos locais. A substituição de íons Ce4+ por íons dopantes resultou em variações significativas nos valores de magnetização de saturação, que dependem tanto do tipo quanto da concentração do íon dopante. Além disso, o comportamento paramagnético observado nas amostras foi analisado em detalhe por meio das curvas de suscetibilidade magnética (χ) em função da temperatura (T). Os dados experimentais foram modelados com base na lei de Curie-Weiss, utilizando uma abordagem que considerou as contribuições de íons Ce3+ e dos íons dopantes (Mn+). Portanto, esses resultados destacam o potencial das NPs de Ce1−xMxO2−δ como materiais multifuncionais para aplicações em catálise, sensores magnéticos e dispositivos spintrônicos, além de contribuírem para o avanço do conhecimento na área de materiais à base de óxidos dopados. Isso proporciona um entendimento sobre a estrutura e as propriedades das NPs de óxido de cério em função do efeito da dopagem, ampliando a compreensão fundamental desses sistemas e oferecendo diretrizes práticas para o design de materiais funcionais com desempenho aprimorado.