Dispersões de nanopartículas de ferrita do tipo espinélio em solventes à base de líquidos iônicos para aplicações termoelétricas

Abstract

A demanda mundial por energia tem aumentado devido ao crescimento populacional e ao desenvolvimento tecnológico e econômico. Além disso, a maior parte da energia consumida ainda provém de fontes fósseis e não renováveis. Essa situação evidencia a necessidade de explorar alternativas energéticas, como materiais termoelétricos, que convertem energia térmica em eletricidade por meio do Efeito Seebeck. Dispositivos termoelétricos oferecem várias vantagens, incluindo robustez, operação silenciosa, uso de fontes de energia renováveis e zero emissões de gases de efeito estufa. No entanto, esses materiais apresentam baixa eficiência, o que limita suas aplicações em conversão de energia em larga escala. Pesquisas recentes indicam que materiais termoelétricos compostos por ferrofluidos (FFs) apresentam resultados promissores para essas aplicações. Assim, o presente estudo busca aprimorar a conversão termoelétrica dispersando nanopartículas magnéticas carregadas (NPs) em líquidos, devido às suas propriedades termodifusivas e magnéticas. A pesquisa se concentra em NPs magnéticas com estrutura core@shell (CoFe₂O₄@γ-Fe₂O₃) e avalia como fatores como composição e tamanho das NPs, tipo de ligante, aquecimento e presença de água impactam a dispersão coloidal. Essas dispersões são analisadas em líquidos iônicos puros, especificamente o EMIM TFSI, particularmente adequado para aplicações termoelétricas, e no propileno carbonato, um solvente orgânico polar com menor viscosidade, mas propriedades não iônicas. Misturas desses solventes em diferentes frações molares também são estudadas. Diversas técnicas de caracterização, como difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), medições magnéticas, espalhamento dinâmico de luz (DLS) e espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS), são empregadas para avaliar a estabilidade da dispersão coloidal, com foco no potencial para aplicações termoelétricas. A caracterização dos FFs precursores revelou que variações no tamanho das NPs impactaram significativamente as propriedades magnéticas e a organização superficial, influenciando as interações entre partículas. Todos os FFs apresentaram-se visualmente estáveis logo após a síntese e um ano depois, com DLS e SAXS confirmando a formação de clusters estáveis, onde NPs menores formaram clusters maiores. Ligantes fosfônicos estabilizaram efetivamente as NPs para transferência para solventes não aquosos, ao contrário do ligante sulfônico, provavelmente devido às propriedades do núcleo das NPs estudadas. Em misturas de EMIM TFSI e PC, as dispersões se mostraram estáveis em todas as composições testadas, resistindo à floculação por vários meses. As nanopartículas formaram clusters menores em solventes não aquosos em comparação com a água, com etapas como remoção de água por bombeamento a baixa pressão e aquecimento aprimorando a estabilidade. As dispersões nas misturas de solventes, com condutividade elétrica otimizada e viscosidade reduzida, mostram potencial como líquidos complexos para o estudo da termoeletricidade em células termelétricas líquidas.