Síntese via rota sonoquímica e caracterização de nanopartículas de sulfeto de bismuto

Abstract

O sulfeto de bismuto faz parte da família de compostos do tipo A2VB3VI formados por calcogênios e metais (sendo A= Sb, Bi. B= S, Se, Te) que se destacam por suas propriedades semicondutoras. O Bi2S3 forma um sólido de coloração preta de solubilidade muito baixa em água, possuindo energia de band gap na faixa de 1,3 a 1,7 eV, com potencial para aplicações nas áreas de optoeletrônica e fotocatálise, entre outras. As propriedades físicas e químicas de nanopartículas de Bi2S3, e outros nanomateriais, são fortemente dependentes de diferentes tamanhos e morfologias dos nancristais. Este trabalho teve como objetivo desenvolver um método sonoquímico para produção de nanopartículas de Bi2S3. Utilizou-se os reagentes Bi(NO3)3 e Na2S2O3 como precursores dissolvidos em solvente orgânico contendo o surfactante brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB), sendo o meio reacional exposto a irradiação de ultrassom de alta intensidade, através de um sistema com sonda de titânio e imersão direta. As nanopartículas de Bi2S3 obtidas foram caracterizadas por difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). O método sonoquímico foi otimizado através do planejamento fatorial completo em dois níveis, onde se verificou que os parâmetros ciclo das ondas ultrassônicas e tempo influenciam significativamente no rendimento da reação. Fixando-se o ciclo em 80% e a amplitude em 20%, verificou-se que no tempo de reação de 15 min foram obtidas as nanopartículas com menor diâmetro médio (11,8 nm) e cristalinidade satisfatória. O método sonoquímico (15 min) foi comparado com o método de aquecimento convencional sob refluxo (90 min), mostrando-se mais rápido e eficiente na obtenção de nanopartículas com alta homogeneidade morfológica. O método sonoquímico produziu superestruturas tipo flor (3D) formadas pela agregação de nanobastões de Bi2S3 com diâmetro médio em torno de 11-15 nm. A morfologia e a qualidade dos nanocristais mostraram-se dependentes do tipo de solvente empregado na síntese. Superestruturas em 3D semelhantes a flores foram obtidas quando etilenoglicol puro foi usado como solvente, enquanto estruturas em 1D na forma de nanobastões foram obtidas quando se utilizou uma mistura de dimetilsulfóxido e etilenoglicol. Foi proposto um mecanismo para a síntese sonoquímica do Bi2S3 e os papéis do solvente e do surfactante nesta síntese foram discutido