Síntese de nanopartículas de CsSnCl3: estabilidade e reversibilidade da estrutura perovskita cúbica

Abstract

O modelo atual de desenvolvimento socioeconômico sustentável está diretamente relacionado com a gestão do crescimento econômico que promova a evolução tecnológica, a proteção do meio ambiente e a garantia da segurança energética para as gerações presente e futuras. Neste contexto, as tecnologias de baixo impacto ambiental surgem com o propósito de mitigar os danos ao meio ambiente, mediante a redução do consumo de matérias-primas e de energia. Tecnologias baseadas no efeito termoelétrico, baterias de alta performance, dispositivos fotovoltaicos, entre outros, despertam grande interesse no estudo de materiais na área da Física da Matéria Condensada. O desenvolvimento de materiais funcionais com propriedades físicas otimizadas possui grande interesse tecnológico, observando premissas como o aumento da eficiência e estabilidade. A categoria de materiais com estrutura cristalina do tipo perovskita (Prv) apresenta grande potencial em aplicações tecnológicas, tais como baterias de estado sólido, células solares, LEDs, e na geração de piezoeletricidade. O composto CsSnCl3 apresenta polimorfismo estrutural, sendo a fase perovskita cúbica (Prv-c) a estrutura cristalina de interesse tecnológico, associada a valores de gap eletrônico entre 0,96 e 3,00 eV. Pertencente à classe das perovskitas de haletos, a fase Prv-c possui previsão teórica de formação em temperaturas em torno de 105 °C (378 K), sendo metaestável em temperatura ambiente. Neste contexto, o objetivo deste projeto é a síntese de nanopartículas de CsSnCl3 com estrutura Prv-c estável em condições ambientes de temperatura e umidade, via rota de estado sólido adaptável à indústria. Os primeiros resultados mostraram que as partículas são formadas pela coexistência das fases Prv-c e monoclínica num arranjo tipo core-shell (núcleo-casca). Duas rotas de síntese foram investigadas, nomeadas de S1 e S2, que se diferenciam pela atmosfera de reação. A rota S1, conduzida em atmosfera ambiente, contrasta com a S2, realizada em condições não reagentes (inerte). Resultados de difração de raios X (DRX) das amostras obtidas pela S1 exibiram um material nanométrico (esferas com diâmetro < 30 nm numa estrutura típica core-shell), na estequiometria CsSnCl3, com coexistência das fases Prv-c e monoclínica (35,8 wt.% e 64,2 wt.%, respectivamente) e com estabilidade da fase Prv-c superior a 1 mês, sem controle da atmosfera no armazenamento. A amostra obtida pela S2 apresentou 92,7 wt.% de fase Prv-c, com a mesma cristalinidade da S1, e com característica morfológica tipo cuboide. Além de analisar a influência da atmosfera da síntese na estabilidade estrutural do material, o estudo abordou a hipótese da reversibilidade da fase monoclínica em Prv-c nas propriedades físicas do material obtido da rota S1.

Abstract: The current model of sustainable socioeconomic development is directly related to the management of economic growth that promotes technological evolution, the protection of the environment and the guarantee of energy security for present and future generations. In this context, low environmental impact technologies emerge with the purpose of mitigating damage to the environment, by reducing the consumption of raw materials and energy. Technologies based on the thermoelectric effect, high-performance batteries, photovoltaic devices, among others, arouse great interest in the study of materials in the area of ??Condensed Matter Physics. The development of functional materials with optimized physical properties is of great technological interest, observing premises such as increasing efficiency and stability. The category of materials with a perovskite (Prv) crystalline structure presents great potential in technological applications, such as solid-state batteries, solar cells, LEDs, and in the generation of piezoelectricity. The CsSnCl3 compound presents structural polymorphism, with the cubic perovskite phase (Prv- c) the crystalline structure of technological interest, associated with electronic band gap values ??between 0.96 and 3.00 eV. Belonging to the class of halide perovskites, the Prv-c phase is theoretically predicted to form at temperatures around 105 °C (378 K), being metastable at room temperature. In this context, The objective of this project is the synthesis of CsSnCl3 nanoparticles with Prv-c structure stable under ambient temperature and humidity conditions, via a solid state route adaptable to industry. The first results showed that the Particles are formed by the coexistence of Prv-c and monoclinic phases in a core-shell arrangement. Two synthesis routes were investigated, named S1 and S2, which differ by the reaction atmosphere. Route S1, conducted in an ambient atmosphere, contrasts with S2, carried out under non-reactive (inert) conditions. X-ray diffraction (XRD) results of the samples obtained by S1 showed a nanometric material (spheres with diameter < 30 nm in a typical core-shell structure), in CsSnCl3 stoichiometry, with coexistence of Prv-c and monoclinic phases (35.8 wt.% and 64.2 wt.%, respectively) and with stability of the Prv-c phase greater than 1 month, no control of the atmosphere in storage. The sample obtained by S2 presented 92.7 wt.% Prv-c phase, with the same crystallinity as S1, and with a cuboidal morphological characteristic. In addition to analyzing the influence of the synthesis atmosphere on the structural stability of the material, the study addressed the hypothesis of reversibility of the monoclinic phase in Prv-c on the physical properties of the material obtained from route S1.