Materiais híbridos de sílica dopados com Sr2+, Zn2+, Ce3+ e Ti4+ para aplicações como filtros ultravioleta: síntese e caracterização

Abstract

A energia solar se destaca entre as fontes renováveis devido à abundância inesgotável e crescente viabilidade econômica impulsionando a sustentabilidade energética. Porém a degradação causada pela radiação ultravioleta (UV) ainda representa um desafio para dispositivos expostos ao ambiente. Nesse contexto, foram sintetizados e caracterizados materiais híbridos de sílica dopados com estrôncio (Sr), zinco (Zn), cério (Ce) e titânio (Ti), a partir de precursores acetato, nitrato e isopropóxido, visando obter filtros UV. Os xerogéis foram obtidos pelo método sol-gel, utilizando os alcóxidos de silício 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTS) e tetraetilortosilicato (TEOS), possibilitando a incorporação dos dopantes, sendo caracterizados por espectroscopia UV-Vis, difração de raios X (DRX) e análises térmicas (DSC e TGA). As análises ópticas revelaram que o cério apresentou a maior redução do bandgap óptico indireto, de 3,77 eV na sílica pura até 1,92 eV no nitrato de cério, juntamente com o titânio (2,93 eV) enquanto o estrôncio promoveu efeito moderado, mas com alta opacidade (2,09 eV), e o zinco preservou a estrutura eletrônica da sílica (3,69 eV). A estimativa da absorção percentual para filmes de 0,1 mm indicou elevada eficiência na região UV destacando-se as amostras com cério, sobretudo nitrato, e titânio, alcançando absorção maior que 80% em 280 nm. O estrôncio apresentou absorção intermediária, 27% em 280 nm na forma de acetato, porém com redução de seletividade óptica em altas concentrações, enquanto o zinco manteve alta transparência e baixa absorção (20% em 280 nm como nitrato). Os difratogramas indicaram que todas as amostras mantêm caráter predominantemente amorfo, favorecendo a transparência e minimizando o espalhamento de luz. As análises térmicas evidenciaram que dopante e precursor influenciam na estabilidade térmica dos xerogéis, sendo os nitratos associados a decomposições mais rápidas que os acetatos, enquanto o aumento do resíduo final confirmou a incorporação dos íons metálicos na matriz. Conclui-se que a escolha do dopante e do precursor permite modular o band gap e a absorção óptica da sílica híbrida, sendo o cério e o titânio os dopantes mais promissores para revestimentos fotoprotetores seletivos contra radiação UV.

Solar energy stands out among renewable energy sources due to its virtually inexhaustible availability and increasing economic viability, contributing to sustainable energy development. However, degradation caused by ultraviolet (UV) radiation remains a major challenge for devices exposed to outdoor environments. In this context, hybrid silica materials doped with strontium (Sr), zinc (Zn), cerium (Ce), and titanium (Ti) were synthesized and characterized using acetate, nitrate, and isopropoxide precursors to develop UV-filtering materials. Xerogels were prepared by the sol-gel method using the silicon alkoxides 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS) and tetraethyl orthosilicate (TEOS), enabling the incorporation of the dopants. The samples were characterized by UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and thermal analyses (DSC and TGA). Optical analyses revealed that cerium produced the greatest reduction in the indirect optical band gap, from 3.77 eV for pure silica to 1.92 eV for cerium nitrate, followed by titanium (2.93 eV), whereas strontium produced a moderate reduction accompanied by high opacity (2.09 eV), and zinc preserved the electronic structure of silica (3.69 eV). The estimated UV absorption for 0.1 mm thick films demonstrated high efficiency in the ultraviolet region, with cerium and titanium-doped samples achieving more than 80% absorption at 280 nm, particularly for cerium nitrate. Strontium exhibited intermediate absorption, reaching 27% at 280 nm for the acetate precursor, although with reduced optical selectivity at higher concentrations, while zinc maintained high transparency and low absorption (20% at 280 nm for the nitrate precursor). The XRD patterns indicated that all samples retained a predominantly amorphous structure, favoring optical transparency and minimizing light scattering. Thermal analyses showed that both the dopant and precursor influenced the thermal stability of the xerogels, with nitrate-based samples exhibiting faster decomposition than acetate-based ones. Furthermore, the increase in the final residue confirmed the successful incorporation of metallic ions into the silica matrix. The results demonstrate that the appropriate selection of dopants and precursors enables modulation of the optical band gap and optical absorption of hybrid silica materials, with cerium and titanium emerging as the most promising dopants for transparent UV-selective photoprotective coatings.