Síntese Hidrotermal Assistida por Micro-ondas

O método hidrotérmico para micro-ondas é um novo tipo de método desenvolvido nos últimos anos para a preparação de pó. Utiliza micro-ondas para o método de aquecimento, usando o princípio do método hidrotérmico, mas é diferente

do método tradicional de síntese hidrotérmica. O método hidrotermal assistido por micro-ondas de micro-ondas é uma combinação dos métodos hidrotérmico e de micro- ondas, exercendo plenamente as vantagens de micro-ondas e calor da água.

Os estudos de desempenho de micro-ondas começaram nos anos

30. Inicialmente, as aplicações de micro-ondas permaneceram no campo do rádio. Durante a década de 1960, os pesquisadores descobriram os efeitos termodinâmicos das micro-ondas e desenvolveram um novo campo de pesquisa. No início dos anos 90, o Dr. Komarneni, da Universidade da Pensilvânia, tornou-se pioneiro ao comparar as diferenças entre a síntese hidrotérmica tradicional e a síntese hidrotérmica especial (SHARMA et al., 2016).

Atualmente, o efeito térmico por micro-ondas tem sido aplicado em vários campos e sua perspectiva de desenvolvimento é muito ampla. Esse tipo de efeito pode afetar diretamente a cinética de reação e consequentemente o rendimento químico das sínteses.

O uso de energia de micro-ondas para o processamento de materiais tem o potencial de oferecer vantagens similares à sua utilização para cozimento de alimentos, como a redução no tempo de processamento e economia de energia (MENEZES et al., 2007), além de ser descrito como um método de obtenção rápida e com produção uniforme do material obtido em comparação com tratamentos hidrotermais convencionais.

Um micro-ondas é uma forma de energia eletromagnética associada a campos eletromagnéticos. Quando é irradiada na superfície do meio, uma pequena parte dela é refletida e a maior parte pode penetrar no interior do meio e ser gradualmente absorvida pelo meio e convertida em energia térmica (YANG et al., 2019).

Entre as ondas de infravermelho e de rádio, apenas micro-ondas com frequências concentradas em 900 MHz e 2,45 GHz podem ser usadas para aquecimento. De acordo com a interação das micro-ondas de acordo com os materiais, pode ser observada na Figura 2.7.

Figura 2.7 – Interação das micro-ondas com os materiais

Fonte: Própria (2019) adaptada de MENEZES et al., ( 2007).

Existem muitos mecanismos para a interação entre micro-ondas e matéria, que podem ser resumidos como perda dielétrica, perda de condução e perda magnética. Esses mecanismos se aplicam a algumas formas comuns de aquecimento, como aquecimento médio, aquecimento de Joule e aquecimento por indução, que dependem das características do campo eletromagnético e das propriedades do material (VIBHU et al., 2015; KONYSHEVA et al., 2011).

Os campos eletromagnéticos podem ser divididos em campos elétricos e magnéticos, e campos com propriedades diferentes interagem com os materiais de acordo com diferentes mecanismos.

O campo elétrico do micro-ondas é responsável pelo aquecimento do meio. Na faixa de frequência de micro-ondas, o aquecimento médio é realizado principalmente por dois mecanismos de polarização dipolar e condução iônica (XIA et al.,2016).

Por exemplo, as micro-ondas podem ser usadas no campo da síntese química, porque os reagentes envolvidos nas reações químicas transportam várias moléculas polares, como água, álcoois e ácidos carboxílicos. Em circunstâncias normais, essas moléculas estão em um estado de movimento desordenado. Quando o magnetron do forno de micro-ondas irradia um micro-ondas de frequência muito alta, o campo de energia do micro-ondas muda continuamente centenas de milhões de vezes por segundo, e as polaridades positiva e negativa estão na mesma frequência.

Em troca, o movimento molecular passa por tremendas mudanças; de uma trajetória de movimento caótico original a uma vibração de alta frequência ordenada, resultando em colisão, atrito e extrusão, de modo que a energia cinética - a energia de micro-ondas é convertida em energia térmica (FU et al., 2016; JING et al., 2014).

Além disso, o aquecimento do campo magnético também afeta o aquecimento por micro-ondas, a literatura relatou fenômenos não térmicos que são amplamente conhecidos como “efeitos de micro-ondas” que também afetam o aquecimento de micro-ondas, como um aumento da taxa de reação da resina termoendurecível por cura por micro-ondas e um aumento da velocidade de densificação da sinterização das cerâmicas (CHOI et al., 2013).

Em uma síntese hidrotermal utilizando-se energia de micro-ondas, o aquecimento se dá no interior do óxido, e dele é transferido para as vizinhanças, favorecendo a redução do tensionamento térmico na amostra, o que pode levar a redução na fragmentação e a densidades maiores. Dessa forma o método se mostra muito interessante para preparar materiais cristalinos com diferentes tamanhos, com reduzida contaminação e com baixa temperatura e tempo de síntese (MAO et al., 2015).

E ainda, é uma técnica ideal para o processamento de pós muito finos com alta pureza, estequiometria controlada, alta qualidade, distribuição estreita de tamanho de partícula, morfologia controlada, uniformidade, poucos defeitos, boa cristalinidade, excelente reprodutibilidade, controle de microestrutura, entre outras

propriedades. Com o avanço da tecnologia, é amplamente utilizado em vários

campos.

O sistema hidrotérmico, consiste em um forno de micro-ondas contendo um reator de teflon no qual é inserido um copo coletor, também de teflon, que recebe a

mistura reacional, também é composto por termopar, manômetro para monitoramento da pressão de síntese, válvula de segurança e um sistema fornecedor de micro-ondas, podendo ser um forno doméstico adaptado a um controlador de temperatura. Baseia- se no princípio da interação homogênea das ondas eletromagnéticas com os dipolos elétricos presentes em solventes que, por sua vez, promovem o rápido aquecimento dielétrico do sistema e consequentemente a elevação da pressão e o aumento da solubilidade do, conforme Figura 2.8.

Figura 2.8 – Processo de cristalização hidrotérmica: (a) convencional; (b) micro-ondas

Fonte: Própria (2019) adaptada de VOLANTI (2011).

Mesmo que a amostra tenha uma certa profundidade, ela pode ser penetrada pela micro-ondas e cada profundidade pode ser aquecida ao mesmo tempo, evitando

a condução de calor, resultando em uma diferença de temperatura, otimizando a velocidade da reação (KONG et al, 2015).

Comparado com o método hidrotérmico tradicional, o método hidrotérmico assistido por micro-ondas apresenta características como: rápida velocidade de aquecimento, reação sensível e sistema de aquecimento uniforme, para que se possa obter rapidamente nanopartículas com uma distribuição de tamanho de partícula menores e morfologia uniforme. Portanto, para a reação com uma alta diferença de temperatura e longo tempo de reação, o método hidrotérmico assistido por micro- ondas pode ser usado para preparar amostras que demoram muito tempo ou são sensíveis à diferença de temperatura. Além disso, possui um grande potencial de pesquisa e valor de aplicação para a preparação de pó ultrafino.

A literatura científica tem apontado diversas sínteses de materiais avançados via reações hidrotérmicas, sendo que as reações na presença de micro-ondas configuram como um novo tópico desta área. Na Figura 2.9 a seguir é feita uma comparação entre os alguns métodos de síntese.

Figura 2.9 – Comparação de vários métodos de síntese para a obtenção de materiais

estruturados.

Fonte: Própria (2019) adaptada de VOLANTI,2013.

Portanto, dentre as vantagens relacionadas ao método encontram-se notadamente: aumento da cinética de reação que é fortemente afetada com um pequeno aumento na temperatura, formação de produtos metaestáveis, obtenção de

mono ou policristais, síntese de produtos de alta pureza, diminuição da poluição em virtude das condições de fechamento hermético da reação e possibilidade de reciclar os reagentes.

Porém, independente da natureza do efeito (térmica ou não térmica), pode-se concluir pela existência do chamado “efeito micro-ondas”, que resulta em vantagens potencialmente interessantes para uma série de aplicações. Em resumo, pode-se

analisar que a síntese assistida por micro-ondas geralmente é mais rápida, mais limpa

e mais econômica que os métodos hidrotérmicos tradicionais (VOLANTI et al, 2013).

Em geral, os materiais de preparação hidrotérmica permanecem no estágio de exploração e desenvolvimento. Pesquisas sobre as propriedades físico-químicas de sistemas hidrotérmicos, solventes e mineralizadores, bem como o estudo dos mecanismos e das propriedades de reações químicas durante processos hidrotérmicos, são de grande importância na preparação de materiais utilizando essa tecnologia (YANG et al., 2019).

Com o desenvolvimento e aprofundamento da pesquisa moderna na área da ciência e engenharia de materiais, o campo de aplicação e a teoria básica dos métodos hidrotérmicos serão aprofundados, simultaneamente, a combinação do método hidrotérmico com outros métodos será uma tendência no desenvolvimento de materiais com propriedades cada vez mais controladas, o que resultará na utilização mais ampla do método hidrotérmico, permitindo uma melhor aplicação prática para os materiais obtidos através desse método.