Integração e automação de um sistema de magnetron sputtering para deposição de nanopartículas metálicas sobre amostras em pó

Abstract

Os métodos de preparação e modificação de materiais são fundamentais no desenvolvimento e aprimoramento de processos e sistemas voltados à produção, conversão e armazenamento de energia, sendo essenciais para a transição energética para fontes renováveis e limpas. Em especial catalisadores baseados em semicondutores na forma de pó e modificados pela dispersão de cocatalisadores metálicos têm se mostrado sistemas promissores para produção de 𝐻 verde. Um dos métodos desenvolvidos para a dispersão de 2 cocatalisadores metálicos sobre amostras particuladas/em pó baseia-se na deposição de nanopartículas metálicas por sputtering ou pulverização catódica. Apesar de ser amplamente utilizado na fabricação de filmes finos, esse método ainda encontra limitações técnicas quando aplicado à produção de amostras em pó. Nesse projeto, são propostas soluções de engenharia baseadas na automação e integração do processo de deposição por magnetron sputtering buscando garantir a reprodutibilidade e o controle das propriedades de catalisadores voltados à produção de 𝐻 verde e preparados por meio dessa técnica no 2 laboratório NanoREAP-UFRGS. Inicialmente, avaliou-se a metodologia e a instrumentação atualmente empregadas no laboratório. A partir dessa análise e de abordagens relatadas na literatura ou empregadas pela indústria, buscamos soluções para as principais limitações do sistema. As soluções mais promissoras e adequadas ao cronograma inicial foram implementadas e testadas. Espera-se que as soluções propostas neste projeto contribuam para alavancar a qualidade das amostras em pó preparadas por magnetron sputtering pelo grupo de pesquisa, permitindo que novos e mais eficientes catalisadores sejam preparados e utilizados na produção de 𝐻 verde. Além disso, espera-se que a metodologia reportada nesse texto 2 possa ser modificada, melhorada e aplicada no controle e otimização de outros processos essenciais para a pesquisa em materiais e áreas afins.

The methods for preparing and modifying materials are fundamental for the development and improvement of processes and systems applied to energy production, conversion, and storage, being essential for the energy transition to renewable and clean sources. In particular, semiconductor-based powder catalysts modified by the dispersion of metallic cocatalysts have proven to be promising systems for green hydrogen production. One of the methods for dispersing metallic cocatalysts on powder samples relies on the deposition of metallic nanoparticles by sputtering. Although widely used for thin films depositions, this method still faces technical limitations when applied to the production of powder samples. This project proposes engineering solutions based on automation and integration of the magnetron sputtering deposition process to ensure reproducibility and control of the properties of catalysts aimed at green hydrogen production, prepared using this technique at NanoREAP-UFRGS. Initially, the methodology and instrumentation currently employed in the laboratory were evaluated. Based on this analysis and approaches reported in the literature or used in industry, we sought solutions to the main limitations of the system. The most promising and suitable solutions for the initial schedule were implemented and tested. It is expected that the solutions proposed in this project will contribute to enhancing the quality of powder samples prepared by magnetron sputtering by the research group, allowing the preparation and application of new and more efficient catalysts in green hydrogen production. Furthermore, it is expected that the methodology reported in this text can be modified, improved, and applied to control and optimize other essential processes for research in materials and related fields.