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Type: Dissertação
Title: Obtenção e caracterização de novos materiais vítreos e vitrocerâmicos no sistema NaPO3-MoO3-V2O5
Author: Carvalho, Patrick de Souza de
First Advisor: Silva, Maurício Antonio Pereira da
Co-Advisor: Oliveira, Luiz Fernando Cappa de
Referee Member: Poirier, Gael Yves
Referee Member: Cuin, Alexandre
Resumo: Estudos sobre os sistemas NaPO3-MoO3 e NaPO3-V2O5 já são amplamente reportados na literatura, porém grandes divergências acerca das estruturas formadas nestes sistemas são relatadas. Neste presente trabalho foram explorados vidros nestes ambos sistemas por técnicas de analise térmica e analise estrutural de curto e longo alcance, difração de raios-X e espectroscopia vibracional, afim de observar quais trabalhos existentes na literatura podem indicar com maior veracidade as estruturas encontradas com a formação vítrea. Diante disto, o sistema ternário NaPO3-MoO3-V2O5 é um sistema inédito na literatura e estudo estrutural é de grande interesse, devido a possibilidade de propriedades de condutividade elétrica serem observadas. Assim este sistema vítreo e algumas composições de suas vitrocerâmicas foram preparadas e investigadas por técnicas de análise térmica (DSC/DTA) e estruturais como DRX e espectroscopias na Raman e no infravermelho. Os vidros foram obtidos pelo método de fusão e resfriamento rápido do fundido, e posteriormente composições foram escolhidas para serem recozidas e tratadas termicamente além de avaliadas frente a condutividade elétrica e exposição a atmosfera devido a vidros a base de fosfatos serem amplamente conhecidos por sua propriedade higroscópica. Uma ampla faixa de composições vítreas e de vitrocerâmicas foram preparadas no sistema NaPO3-MoO3-V2O5, e as caracterizações estruturais realizadas por espectroscopia Raman e no infravermelho, indicaram um padrão nos sistemas binários NaPO3- MoO3 e NaPO3-V2O5 e posteriormente no sistema ternário NaPO3-MoO3-V2O5. A incorporação de baixos teores dos metais de transição produziu novas ligações Mo-O-P e V-O-P, proporcionando o aumento da rede vítrea e das temperaturas de transição vítrea (Tg). Este aumento da rede vítrea apresentou-se limitado a determinadas frações dos óxidos de metais de transição, e para valores acima destesfoi observada a diminuição dos valores de Tg nos sistemas binários. Isto pode ter ocorrido devido à quebra da rede a base de fosfatos, gerando espécies de Q 0 e Q1 isoladas na matriz vítrea ligadas aos metais de transição, o que não proporcionam a formação de redes vítreas maiores, e a formação na matriz vítrea de estruturas contendo ligações entre espécies dos próprios metais de transição, Mo-O-Mo e V-O-V, formando assim clusters que agem como modificadores de rede vítrea. Para o sistema ternário em específico, além destas observações, o aumento do teor de V2O5 causou a diminuição dos valores de Tg em relação a introdução de MoO3, pois a incorporação de óxido de vanádio demonstrou a formação mais eficiente destes aglomerados estruturais. Já a introdução de molibdênio faz com que a rede formada por ligações Mo-O-P fosse formada para maiores teores de MoO3 antes da conversão dos íons de metais de transição a aglomerados modificadores de rede vítrea. O sistema ternário não apresentou ligações Mo-O-V pela rede vítrea, assim dependente da presença de espécies de fosfatos presentes para ser formada, por toda a faixa estudada. As vitrocerâmicas preparadas apresentaram o crescimento de fases cristalinas que refletem a ordenação da estrutura do respectivo vidro, confirmando as estruturas identificadas pelas técnicas espectroscópicas. Tais estruturas cristalinas dentro da matriz vítrea apresentaram íons de metais de transição em diferentes geometrias e possibilidades de diferentes estados de oxidação. Íons V IV e VV estão presentes como espécies em geometria penta e hexacoordenadas, enquanto indícios de íons Mo IV, Mo V e Mo VI são relatados, também como possíveis em espécies octaédricas pelas vitroceramicas investigadas. A fase cristalina Na0.76V6O15 (COD ID 9000884) recebe destaque devido a ser encontrada em vitrocerâmicas de diferentes composições e tratadas termicamente de diferentes maneiras. A avaliação da condutividade dos vidros e vitrocerâmicas selecionados demonstrou uma relação com a estrutura observada, em que amostras com menor teores de MoO3 em relação a V2O5 apresentaram a menor resistência à 1V, podendo ser relacionado a presença de íons de molibdênio em diversos estados de oxidação em relação aos íons de vanádio, além da possibilidade de estar relacionada a uma maior conexão da rede vítrea, como observado pelos valores de Tg. O crescimento de cristais na matriz vítrea contribuiu para uma maior condutividade para cada estágio do tratamento térmico. A avaliação de estabilidade dos vidros por exposição a umidade atmosférica demonstrou que vidros contendo com altos teores de vanádio possuem melhor estabilidade que vidros com altos teores de molibdênio.
Abstract: Studies on the NaPO3-MoO3 and NaPO3-V2O5 systems have been widely reported in the literature, but significant discrepancies regarding the structures formed in these systems have been reported. In the present work, glasses in both systems were explored using thermal analysis techniques and short- and long-range structural analysis, X-ray diffraction, and vibrational spectroscopy, in order to observe which existing studies in the literature might more accurately indicate the structures found with glass formation. In this context, the NaPO3-MoO3-V2O5 ternary system is a novel system in the literature, and a structural study is of great interest due to the potential for observing electrical conductivity properties. Thus, this glass system and some compositions of its glass-ceramics were prepared and investigated using thermal analysis techniques (DSC/DTA) and structural techniques such as X-ray diffraction and Raman and infrared spectroscopy. The glasses were obtained by the fusion method and rapid cooling of the melt, and compositions were later selected to be annealed and thermally treated, as well as evaluated for electrical conductivity and exposure to the atmosphere, since phosphate-based glasses are widely known for their hygroscopic property. A broad range of glass and glassceramic compositions were prepared in the NaPO3-MoO3-V2O5 system, and structural characterizations carried out by Raman and infrared spectroscopy showed a pattern in the binary systems NaPO3-MoO3 and NaPO3-V2O5 and subsequently in the ternary system NaPO3-MoO3- V2O5. The incorporation of low amounts of transition metals produced new Mo-O-P and V-OP bonds, increasing the glass network and the glass transition temperatures (Tg). This increase in the glass network was found to be limited to certain fractions of the transition metal oxides, and for values above these, a decrease in the Tg values was observed in the binary systems. This may have occurred due to the breakdown of the phosphate-based network, generating Q0 and Q1 species isolated in the glass matrix bound to the transition metals, which do not contribute to the formation of larger glass networks, and the formation of structures in the glass matrix containing bonds between species of the transition metals themselves, Mo-O-Mo and VO-V, thus forming clusters that act as network modifiers. Specifically, for the ternary system, in addition to these observations, the increase in V2O5 content caused a decrease in Tg values compared to the introduction of MoO3, as the incorporation of vanadium oxide demonstrated a more efficient formation of these structural clusters. On the other hand, the introduction of molybdenum caused the network formed by Mo-O-P bonds to form at higher MoO3 contents before the transition metal ions converted into network-modifying clusters. The ternary system did not present Mo-O-V bonds in the glass network, as these depend on the presence of phosphate species to form, throughout the studied range. The glass-ceramics prepared exhibited the growth of crystalline phases that reflect the ordering of the respective glass structure, confirming the structures identified by the spectroscopic techniques. These crystalline structures within the glass matrix showed transition metal ions in different geometries and possible different oxidation states. VIV and VV ions are present as species in penta- and hexacoordinated geometries, while MoIV, MoIV, and MoVI ions were also reported, potentially present as octahedral species in the investigated glass-ceramics. The crystalline phase Na0.76V6O15 (COD ID 9000884) is noteworthy due to its presence in glass-ceramics with different compositions and thermally treated in various ways. The evaluation of conductivity of the selected glasses and glass-ceramics showed a relationship with the observed structure, where samples with lower MoO3 contents compared to V2O5 exhibited lower resistance at 1V, which may be related to the presence of molybdenum ions in various oxidation states compared to vanadium ions, as well as possibly being related to a greater connectivity of the glass network, as observed from the Tg values. Crystal growth in the glass matrix contributed to higher conductivity at each stage of thermal treatment. The stability evaluation of the glasses upon exposure to atmospheric moisture showed that glasses with high vanadium content have better stability than glasses with high molybdenum content.
Keywords: Vidros
Vitrocerâmica
Espectroscopia vibracional
Condutividade
Metais de transição
Glasses
Glass-ceramics
Vibrational spectroscopy
Conductivity
Transition metals
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/18708
Issue Date: 19-Feb-2025
Appears in Collections:Mestrado em Química (Dissertações)



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