Explorando Nova Forma de Polimorfo Sn3O4: Síntese e Análise

O ajuste das condições de reação, como grau de enchimento e composição do gás, pode ter um grande impacto nos produtos obtidos pela síntese hidrotérmica obtida. Isso foi claramente representado no novo estudo da Tokyo Tech, onde eles sintetizaram um polimorfo ortorrômbico não relatado de Sn3O4 em vez da fase monoclínica convencional, otimizando as condições dentro do reator hidrotérmico. O Sn3O4 ortorrômbico tem um bandgap mais estreito que o convencional, tornando-o útil como um fotocatalisador ativo de luz visível.

Óxidos de estanho (SnxOy) são encontrados em muitas tecnologias modernas devido à sua natureza versátil. Os estados de oxidação multivalente do estanho - Sn2+ e Sn4+ - conferem aos óxidos de estanho eletrocondutividade, fotocatálise e várias propriedades funcionais. Para a aplicação de fotocatálise de óxidos de estanho, um bandgap estreito para absorção de luz visível é indispensável para utilizar uma ampla gama de energia solar. Portanto, a descoberta do novo SnxOy pode ajudar a melhorar a eficiência de muitas reações fotocatalíticas ambientalmente significativas, como a separação da água e a redução do CO2. Embora existam muitas previsões teóricas e computacionais do novo SnxOy estável, ainda há necessidade de estudos experimentais que possam transformar as previsões em realidade.

Tomando isso como um apelo à ação, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio, da Academia de Defesa Nacional e da Mitsubishi Materials Corporation projetaram um novo óxido de estanho. Em seu recente avanço publicado na Angewandte Chemie International Edition, o Sr. Y. Liu et al. apresentou uma nova abordagem de síntese hidrotérmica otimizada que levou à síntese de um polimorfo Sn3O4 com uma estrutura cristalina ortorrômbica não relatada anteriormente. A pesquisa foi realizada no Cluster de Pesquisa Colaborativa em Inovação em Sustentabilidade de Materiais da Mitsubishi com o apoio da Plataforma de Inovação Aberta do Instituto de Tecnologia de Tóquio.

O líder do projeto, Prof. Miyauchi explica a força motriz por trás do estudo, "O objetivo do nosso estudo foi duplo. Primeiro foi a síntese de um novo polimorfo de óxido de estanho e o segundo foi aplicá-lo a um fotocatalisador sensível à luz visível. "

A equipe montou vários reatores hidrotérmicos térmicos com o mesmo material de partida para preparar Sn3O4. Na primeira série, eles alteraram o grau de enchimento da solução precursora preenchendo 20, 40, 60 e 80% de um forro de Teflon de 100 ml. Para a segunda série, eles mantiveram o grau de enchimento constante em 20% e os revestimentos de Teflon foram preenchidos com ar ambiente, oxigênio puro e nitrogênio puro, respectivamente.

A equipe então realizou análises de Rietveld, espectroscopia de raios-X e cálculos de primeiros princípios nos produtos formados. A análise mostrou que o novo polimorfo Sn3O4 tem a fórmula química Sn(II)2Sn(IV)O4. Seu padrão de difração de raios X nunca foi relatado e é atribuído a uma fase cristalina ortorrômbica com base em análises empíricas e computacionais. Os estudos comparativos para ajuste da composição do gás e grau de enchimento mostraram que o polimorfo ortorrômbico só se formou quando o grau de enchimento era alto ou quando o gás introduzido era inerte e com menos oxigênio. A equipe sugeriu, portanto, que prestar atenção à fonte de oxigênio poderia ser a chave para uma síntese hidrotérmica mais precisa.

O novo polimorfo ortorrômbico Sn3O4 relatado neste estudo tem um bandgap menor do que um Sn3O4 monoclínico convencional, indicando uma maior eficiência de absorção de luz visível. Além disso, a banda de condução do polimorfo ortorrômbico é alta o suficiente para conduzir a reação de redução de CO2.

O método hidrotérmico é um método amplamente utilizado de síntese de materiais. Este estudo descobriu que os parâmetros frequentemente negligenciados na síntese hidrotérmica afetam drasticamente a estrutura do cristal. Esta descoberta é informativa para a descoberta de numerosos novos materiais de óxido.

Referência

1 Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Escola de Materiais e Tecnologia Química, Instituto de Tecnologia de Tóquio, Japão