Investigação do mecanismo de formação de filmes porosos de TiO2 obtidos por anodização galvanostática

Resumo

Neste trabalho foram estudados os aspectos experimentais e teóricos do crescimento de dióxido de titânio obtido por anodização galvanostática. Os filmes foram preparados por anodização galvanostática de titânio, onde a curva da diferença de potencial versus carga foi investigada. Nos instantes iniciais há o aumento abrupto do potencial, seguido por uma mudança no coeficiente angular da curva. Nesta região o potencial atinge um estado estacionário caracterizado por oscilações em torno de um valor médio que são frequentemente associadas ao fenômeno de ruptura do filme anódico, no qual observa-se também a emissão de microdescargas (sparks) na superfície do eletrodo. O estudo experimental iniciou-se com o mapeamento do sistema, no qual utilizou-se o planejamento fatorial com o objetivo de associar as variáveis experimentais às respostas consideradas (eletroquímicas, morfológicas e microestruturais). Após este primeiro estudo, investigou-se a influência da carga aplicada no sistema mantendo-se as demais condições constantes. Nesta investigação, analisou-se a influência da carga na microestrutura, morfologia e também na fotoatividade dos filmes. Os resultados revelaram que a fotoatividade sofre uma influência tanto da microestrutura como da morfologia. Entretanto, a microestrutura mostra-se mais importante para filmes obtidos após a região de ruptura, onde a morfologia permanece constante. Uma possível explicação para estes dados é que a região de contorno de grão atua como centro de recombinação de pares e-/h+. Além destes estudos, realizou-se a dopagem do TiO2 com nióbio. As propriedades físico-químicas dos filmes dopados foram comparadas com os filmes puros e observou-se que a dopagem promove um aumento da taxa de cristalização dos filmes mesmo quando pequenas quantidades do dopante são introduzidas na rede. Um estudo aplicado foi realizado com o sistema de anodização, onde buscou-se aplicá-lo como sistema aquecedor de água. Os resultados desta investigação mostraram que este apresenta maior eficiência e velocidade de aquecimento frente às resistências comerciais com as quais foi comparado. Finalmente, baseando-se nos resultados experimentais, buscou-se desenvolver um modelo para o crescimento de filmes de dióxido de titânio obtidos eletroquimicamente. Este modelo semi-empírico foi desenvolvido a partir do modelo current burst model. A primeira fase do modelo consistiu na simulação numérica da dissipação de calor gerada por evento de spark nos 3 meios (eletrólito, óxido e metal) usando o método dos elementos finitos. O resultado da simulação mostrou que a dissipação térmica se estende por uma região de até 400 nm e que o spark é capaz de fundir localmente as fases sólidas. Sendo assim, a descrição deste sistema oscilatório foi feita por meio de seus três elementos principais: o mecanismo de oscilação local (ruptura), mecanismo de dessincronização (dissolução) e sincronização ou interação lateral (promovida pelo fluxo de material). (AU)