Estudo da influência do Al³⁺ nas características microestruturais e propriedades eletroquímicas do BiFeO₃
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Data
2026-01-19
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Resumo
O estudo investiga a influência da dopagem com Al³⁺ nas propriedades estruturais e elétricas do BiFeO₃ (BFO), material multiferróico com potencial para aplicações em dispositivos de memória, transdutores e sistemas de armazenamento energético. Para esta investigação, composições com variados níveis de Al³⁺, na faixa de 0% a 1% em massa, foram preparadas na forma de pó. A síntese foi realizada pelo método hidrotérmico, por meio de um processo sequencial composto por agitação magnética, tratamento por ultrassonicação, reação hidrotérmica e calcinação, assegurando a uniformidade e o controle das propriedades dos materiais obtidos. A caracterização estrutural foi realizada por difratometria de raios X, evidenciando modificações na organização cristalina em resposta à dopagem com Al³⁺. O refinamento Rietveld mostrou que a adição de 1% de Al³⁺ possibilita a obtenção de uma fase mais estável, com baixos teores de fase secundária. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) indicou alterações morfológicas nos pós, com aumento da área superficial nas amostras dopadas, evidenciando o efeito da incorporação de alumínio. A caracterização eletroquímica, realizada por voltametria cíclica, mostrou comportamento pseudocapacitivo em todas as amostras, associado predominantemente aos processos faradaicos do par redox Fe³⁺/Fe²⁺. Em todas as velocidades de varredura investigadas, as amostras dopadas apresentaram desempenho superior ao BFO puro, destacando-se a composição com 1% de Al³⁺, que exibiu as maiores capacitâncias específicas, sugerindo maior área eletroativa e maior eficiência nos processos de armazenamento de carga. Esses resultados confirmam que a dopagem moderada com alumínio é uma estratégia eficaz para otimizar as propriedades eletroquímicas do BiFeO₃.
Resumen
El estudio investiga la influencia del dopaje con Al³⁺ (0 a 1% en masa) en las propiedades estructurales y electroquímicas del BiFeO₃ (BFO), un material multiferroico con potencial para aplicaciones en dispositivos de memoria, transductores y sistemas de almacenamiento de energía. Para esta investigación, se prepararon composiciones en polvo con diferentes concentraciones de Al³⁺, en el intervalo de 0% a 1% en masa. La síntesis se realizó mediante el método hidrotermal, siguiendo un proceso secuencial que incluyó agitación magnética, ultrasonido, reacción hidrotermal y calcinación, garantizando la uniformidad y el control de las propiedades de los materiales obtenidos. La caracterización estructural se llevó a cabo mediante difractometría de rayos X, evidenciando cambios en la organización cristalina como respuesta al dopaje con Al³⁺. El refinamiento Rietveld mostró que la adición del 1% de Al³⁺ permite obtener una fase más estable, con bajos contenidos de fases secundarias. La microscopía electrónica de barrido (MEB) indicó modificaciones morfológicas en los polvos, con aumento del área superficial en las muestras dopadas, evidenciando el efecto de la incorporación de aluminio. La caracterización electroquímica mediante voltametría cíclica reveló comportamiento pseudocapacitivo en todas las muestras, asociado principalmente a los procesos faradaicos del par redox Fe³⁺/Fe²⁺. En todas las velocidades de barrido investigadas, las muestras dopadas presentaron un desempeño superior al BFO puro, destacándose la composición con 1% de Al³⁺, que exhibió las mayores capacitancias específicas, lo que sugiere una mayor área electroactiva y mayor eficiencia en los procesos de almacenamiento de carga. Estos resultados confirman que el dopaje moderado con aluminio constituye una estrategia eficaz para optimizar las propiedades electroquímicas del BiFeO₃.
Abstract
This study investigates the influence of Al³⁺ doping (0 to 1 wt%) on the structural and electrochemical properties of BiFeO₃ (BFO), a multiferroic material with potential applications in memory devices, transducers, and energy-storage systems. Compositions with different Al³⁺ concentrations, ranging from 0% to 1 wt%, were prepared in powder form. The synthesis was performed using the hydrothermal method through a sequential process involving magnetic stirring, ultrasonication, hydrothermal reaction, and calcination, ensuring uniformity and controlled properties of the obtained materials. Structural characterization by X-ray diffraction revealed changes in the crystalline arrangement in response to Al³⁺ incorporation. Rietveld refinement showed that the addition of 1 wt% Al³⁺ promotes stabilization of the main phase, with reduced amounts of secondary phases. Scanning electron microscopy (SEM) indicated morphological modifications in the powders, including an increase in surface area for the doped samples, highlighting the effect of aluminum incorporation. Electrochemical characterization by cyclic voltammetry revealed pseudocapacitive behavior in all samples, predominantly associated with faradaic processes of the Fe³⁺/Fe²⁺ redox pair. At all scan rates investigated, the doped samples exhibited superior performance compared to pure BFO, with the 1 wt% Al³⁺ composition showing the highest specific capacitance, suggesting a larger electroactive area and greater efficiency in charge-storage processes. These results confirm that moderate aluminum doping is an effective strategy to optimize the electrochemical properties of BiFeO₃.
Descrição
Palavras-chave
método hidrotérmico, dopagem com Al³⁺, alumínio, propriedades eletroquímicas