Estudo da transição de fases de nanopartículas de CeO2ð€€€�x(0 < x < 0,5)

Abstract

O óxido de cério, CeO2ð€€€x (0 < x < 0,5), vem sendo cada vez mais estudado devido ao enorme potencial tecnológico em diversas vertentes. Dentre as principais características que tornam o óxido de cério um material de alto interesse atual, destaca-se a capacidade de armazenar oxigênio que está diretamente relacionada à facilidade em mudar o estado de oxidação entre Ce(III) e Ce(IV). Em catálise, a redução é uma etapa fundamental de qualquer processo catalítico, pois é empregada para ativar o catalisador. Porém, no caso de catalisadores contendo CeO2ð€€€x, o processo de redução pode induzir uma mudança de fase, a qual pode influenciar diretamente nas propriedades catalíticas do material. Nesse trabalho foi estudada a transição de fase de nanopartículas de CeO2ð€€€x que possuem diferentes temperaturas de redução, segundo observado previamente. Foram realizadas medidas de XRD (X-Ray Difraction) in situ com a amostra exposta à atmosfera ambiente para temperaturas entre 25 C e 1000 C em intervalos de 250 C. Assim, foi possível identificar a fase inicial das nanopartículas, cúbica do tipo fluorita. Com o aquecimento, é observado o surgimento de uma nova fase cristalina, provavelmente hexagonal, para todas as amostras. Com uso de refinamento Rietveld foi possível determinar o parâmetro de rede e o tamanho das nanopartículas para cada temperatura e, consequentemente, obter o comportamento dessas variáveis em função da temperatura. Com isso, foi medido o coeficiente de dilatação linear e estudado o processo de aglomeração das diferentes nanopartículas de CeO2ð€€€x. Também foram realizadas medidas de XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure) in situ resolvido no tempo durante redução em atmosfera de CO na linha de luz DXAS do Laboratório Nacional de Luz Sincrotron (LNLS). As medidas de XANES in situ foram realizadas na borda L3 do Ce no modo transmissão com intuito de determinar a razão Ce(III)/Ce(IV) durante o processo de redução. As amostras foram aquecidas desde a temperatura ambiente até 500 C permanecendo por 15 min em 500 C. Com os dados da fração de Ce(III) em função da temperatura, obtidos dos espectros de XANES, é possível obter a energia de ativação da nova fase. O modelo utilizado para obter a energia de ativação da nova fase fez uso da equação de Arrhenius. Os resultados são comparados com aqueles obtidos segundo a teoria de Bulfin.

The cerium oxide CeO2ð€€€x (0 < x < 0.5) has been studied in the last past years due to the high technological potential in many different applications. Among the main features that make cerium oxide a material of high interest currently, it is highlighted the ability to store the oxygen that is directly related to the facility to change the oxidation state between Ce(III) and Ce(IV). In catalysis, the reduction is a fundamental step of any catalytic process, since it is used to activate the catalyst. However, in the case of catalysts containing CeO2ð€€€x, the reduction process can induce a phase change, which can directly influence on the catalytic properties of the material. In this work, it was studied the phase transition of CeO2ð€€€x nanoparticles that have different reduction temperatures, as previously observed. In situ XRD (X-Ray Difraction) measurements were performed with the sample exposed to the atmosphere and heated from room temperature to 1000 C (steps of 250 C). So, it was possible to identify the initial phase of the nanoparticles, cubic (fluorite like). Then, it was identified the appearance of a new crystalline phase, probably hexagonal, for all the nanoparticles synthesized. The use of Rietveld refinement allowed to determine the lattice parameter and the size of the nanoparticles for each temperature and, consequently, to obtain the behavior of these variables as a function of the temperature. The linear expansion coefficient was measured and the agglomeration process of the different CeO2ð€€€x nanoparticles was studied. In situ time-resolved XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure) measurements were also performed during reduction in CO atmosphere in the DXAS beamline of the Brazilian Synchrotron Light Source (LNLS). The in situ XANES measurements were performed at the Ce L3 edge in the transmission mode in order to determine the Ce(III)/Ce(IV) ratio during the reduction process. The samples were heated from room temperature to 500 C. The Ce(III) fraction data as a function of the temperature obtained from the XANES spectra allowed to obtain the activation energy of the new phase. Arrhenius equation was used to obtain the activation energy of the of the new phase. The results were compared with those obtained according to the Bulfin theory.