Planejamento experimental para melhorar a seletividade da síntese de nanopartículas de sulfeto de cobre e antimônio

Abstract

Sulfetos de cobre e antimônio são semicondutores livres de metal pesado, que tem apresentado propriedades ópticas e elétricas promissoras, além do baixo custo de produção. Estes materiais possuem distintas fases estequiométricas e o controle destas fases é crucial para obtenção de material com propriedades desejadas e reprodutíveis. No presente trabalho utilizamos o planejamento fatorial 24 como uma ferramenta para identificar quais dos parâmetros: tempo, temperatura, método de síntese e solvente, têm influência no mecanismo de síntese e assim, nas propriedades do material obtido. As 16 sínteses foram feitas em duplicata e o material obtido foi caracterizado por microscopia eletrônica de transmissão, difração de raios-X, espectroscopia Raman, espectroscopia de absorção no UV-Vis NIR e espectroscopia de fluorescência. As fases obtidas nas sínteses foram Cu3SbS4 e CuSbS2 e os valores de band gap ficaram entre 1,78 ± 0,39 eV e 1,35 ± 0,53 eV, respectivamente. As nanopartículas apresentaram um formato esférico e tamanhos entre 8,7 e 19,3 nm. Aliando os resultados do planejamento experimental e os mecanismos de formação de partícula, bem como o comportamento dos métodos de síntese, foi possível observar que os principais fatores que interferem na composição de fases e tamanho de partícula, é o método de síntese e o tempo de reação. Essas tendências que obtivemos mostram que o planejamento experimental é uma boa ferramenta para otimização da síntese e para auxiliar na escolha dos parâmetros de acordo com as características desejadas.

Copper antimony sulfides is a class of heavy metal-free semiconductors with promising optical and electrical properties, in addition to low production cost. This class of material present different stoichiometric phases and controlling those phases is essential to obtain a material with desirable and reproducible properties. In the present work we have used factor planning 24 as a tool to identify which of the parameters: time, temperature, method of synthesis and solvent, have an influence on the synthesis mechanism and thus, on the material properties. All the 16 syntheses were performed in duplicate, and the materials were characterized by transmission electron microscopy, x-ray diffraction, Raman spectroscopy, UV-Vis NIR absorption spectroscopy and fluorescence spectroscopy. Cu3SbS4 and CuSbS2 are the phases obtained and the band gap values were between 1.78 ± 0.39 eV and 1.35 ± 0.53 eV, respectively. The nanoparticles present a nearly spherical shape and sizes between 8.7 and 19.3 nm. Combining the results of the factor planning and the mechanisms of particle formation, as well as the behavior of the synthesis methods, it was possible to observe that the main factors that interfere in the phase composition and particle size are the synthesis method and the time of reaction. These tendencies show that experimental design is a good tool for optimizing the synthesis and helping to choose the parameters according to the desired characteristics.