Estabilização da fase anatase a altas temperaturas com partículas submicrométricas de quartzo e alumina

Abstract

Neste trabalho, foram estudados parâmetros que estão diretamente ligados à transição de fase anatase-rutilo (TAR) a altas temperaturas como a adição de estabilizantes e processamento cerâmico. Foi avaliada a influência da moagem de alta energia por via seca e por via úmida. Na sequência, foram usados os estabilizantes alumina e quartzo para inibição da TAR a altas temperaturas. Por fim, foram investigadas a influência da taxa de aquecimento durante o tratamento térmico e a temperatura máxima de queima, além da influência de outros polimorfos da sílica: cristobalita, quartzo e sílica amorfa. Todas as amostras foram preparadas por moagem e conformação uniaxial e tratadas termicamente a temperaturas de 1150 a 1300°C. Um planejamento experimental foi utilizado para determinar a influência dos diferentes parâmetros nas características avaliadas. Para investigar os efeitos da estabilidade térmica de quartzo e alumina, as amostras foram caracterizadas por difração de raios X (DRX). Nas amostras que apresentaram as maiores inibições na formação de rutilo: A4Q33M4P3 - amostra de anatase com 4 vol. % de alumina e 33 vol. % de quartzo; A8Q67M7P2 - amostra de anatase com 8 vol.% de alumina e 67 vol.% de quartzo, realizaram-se também microscopia eletrônica de varredura (MEV). As atividades fotocatalíticas foram avaliadas pela degradação do azul de metileno (MB) sob irradiação de luz UV. Os resultados revelam que a TAR não ocorre na moagem via úmida ou seca, mesmo após 7 h de moagem em função da baixa energia envolvida no sistema (BPR 1,5: 1 e BPR 5:1). A avaliação do tratamento térmico e da composição de estabilizantes mostrou que a alumina combinada com o quartzo exerce, proporcionalmente, uma maior influência como estabilizador de anatase do que o quartzo sozinho. Os efeitos combinados de vários parâmetros no processo de sinterização apontaram como mais significativo à taxa de aquecimento: quanto mais rápido o aquecimento, menor a TAR; e quanto maior a temperatura de queima, maior a TAR. Na avaliação dos polimorfos da sílica: quartzo, cristobalita e sílica amorfa, observou-se que apenas a presença de quartzo aumenta a estabilidade térmica da fase anatase, enquanto que a sílica amorfa e a cristobalita aumenta TAR. Ao avaliar a atividade fotocatalítica, a degradação do azul de metileno, foi proporcional à quantidade de titânia presente nas amostras.

Abstract: In this work, we studied parameters that are directly related to the anatase-rutile phase transition (ART) at high temperatures such as the addition of stabilizers and ceramic processing. The influence of high energy milling by dry and wet route was evaluated. Subsequently, the alumina and quartz stabilizers were used for inhibition of ART at high temperatures. Finally, the influence of the heating rate during the heat treatment and the maximum sintering temperature, besides the influence of other silica polymorphs: cristobalite and amorphous silica, were investigated. All samples were prepared after the uniaxial conformation milling and heat treated at temperatures of 1150 to 1300°C. An experimental design was used to determine the influence of the different parameters on the evaluated characteristics. To investigate the effects of the thermal stability of quartz and alumina, the samples were characterized by X-ray diffraction (XRD). In the samples that showed the highest inhibitions in the rutile formation: A4Q33M4P3 - Anatase sample with 4 vol. % alumina and 33 vol. % of quartz; A8Q67M7P2 - anatase sample with 8 vol% alumina and 67 vol% quartz, scanning electron microscopy (SEM) was also performed. Photocatalytic activities were evaluated by the degradation of methylene blue (MB) under UV light irradiation. The results show that TAR does not occur in wet or dry milling even after 7 h of milling due to the low energy involved in the system (BPR 1,5: 1 and BPR 5: 1). The evaluation of the heat treatment and the composition of stabilizers showed that alumina combined with quartz exerts, proportionally, the greater influence the anatase stabilizer than quartz alone. The combined effects of several parameters on the sintering process indicated that the heating rate was more significant: the faster the heating, the lower the ART; and the higher the firing temperature, the higher the ART. In the evaluation of the silica polymorphs: quartz, cristobalite and amorphous silica, it was observed that only the presence of quartz increases the thermal stability of the anatase phase, while amorphous silica and cristobalite increases ART. When evaluating the photocatalytic activity the methylene blue degradation, in proporcional to the amount of titania in the mixture samples.