Síntese e caracterização de fases polimórficas do trióxido de molibdênio (MoO3) e suas propriedades eletrocrômicas e de sensor de gás

Abstract

Este trabalho apresentará um estudo do crescimento de micro- e nanoestruturas semicondutoras do trióxido de molibdênio (MoO3) com diferentes morfologias e dimensões sintetizadas via método hidrotérmico assistido por micro-onda, bem como a análise de sua aplicação como sensor de gás e material eletrocrômico. Um estudo sistemático dos parâmetros de síntese foi realizado para compreensão e controle do crescimento de diferentes fases polimórficas do MoO3. A análise estrutural por Difração de Raio-X (DRX) revelou a formação de duas fases nas amostras sintetizadas: α-MoO3 e h-MoO3. Os resultados de DRX junto ao seu refinamento estrutural indicam que a temperatura e o tempo de síntese influenciam na proporção de existência de cada fase. Estudos por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) revelam ainda a possibilidade da recristalização da fase h-MoO3 na fase α-MoO3 à medida que a temperatura e o tempo de síntese aumentam. Também foi observado que a temperatura apresenta grande influência na obtenção da fase α-MoO3, enquanto a concentração da solução-base é determinante na síntese da fase h-MoO3. Além disso, um estudo foi realizado visando determinar as condições otimizadas para o crescimento de filmes nanoestruturados da fase α-MoO3 diretamente sobre substratos (on chip growth) dos dispositivos. A análise MEV revelou a formação de filmes nanoestruturados com morfologias distintas, mas todos baseados em nanofibras α-MoO3, dependendo da camada semente e do tempo de tratamento hidrotermal. O desempenho eletrocrômico da fase α-MoO3 foi analisado através de medidas eletroquímicas, as quais revelaram a significativa influência de parâmetros como potencial aplicado, taxa de varredura, nº de ciclos e íon envolvido no desempenho eletrocrômico das nanofibras α-MoO3. A resposta como sensor de gás para diferentes analitos foi estudada para as fases α-MoO3 e h-MoO3 revelando que ambas as fases apresentam um bom sinal do sensor, alta seletividade e reprodutibilidade para diferentes gases.

This work presents a growth study of the micro- and nanostructures of semiconductor molybdenum trioxide (MoO3) with different morphologies and dimensions synthesized via microwave-assisted hydrothermal method, as well as the analysis of their application as gas sensor and electrochromic material. A systematic study of synthesis parameters was carried out to understand and control the growth of different polymorphic phases of MoO3. Structural X-Ray Diffraction (XRD) analysis revealed the formation of two phases in the synthesized samples: α-MoO3 and h-MoO3. The XRD results combined with structural refinement indicate that temperature and time of synthesis influence the proportion of obtained phase. Scanning Electron Microscopy (SEM) studies also reveal the recrystallization of the h-MoO3 phase in the α-MoO3 phase as a function of the temperature and time synthesis. It was also observed that temperature has great influence on the formation of α-MoO3 phase, while the concentration of the precursor solution is determinant factor to synthesize the h-MoO3 phase. Furthermore, a study was carried out to determine the optimized conditions for the growing of nanostructured α-MoO3 films directly on the substrates (on chip growth) of the devices. SEM analysis revealed the formation of nanostructured films with distinct morphologies, but all based on α-MoO3 nanofibers, depending on the seed layer and hydrothermal treatment time. The electrochromic performance of the α-MoO3 phase was analyzed through electrochemical measurements, which revealed the significant influence of parameters such as applied potential, scan rate, number of cycles and ion involved on the electrochromic performance of α-MoO3 nanofibers. Finally, the gas sensing response for different analytes was studied for the α-MoO3 and h-MoO3 phases revealing that both phases exhibit good sensor signal, high selectivity and reproducibility for different gases.