Crescimento de diamante dopado sobre titânio com variação controlada de boro e de carbono com hibridização sp2 e sp3 como eletrodos de alto desempenho aplicados em tratamento de águas

• Main Author: Fernanda Lanzoni Migliorini
• Other Authors: Neidenêi Gomes Ferreira
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2015
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/03.02.14.00

Filmes de diamante dopados com boro crescidos sobre substratos de titânio foram sistematicamente estudados pelo controle da hibridização sp2/sp3 dos mesmos, bem como de seus respectivos níveis de dopagem. As amostras foram crescidas pela técnica da deposição química na fase gasosa (${"}$Chemical Vapor Deposition${"}$- CVD) utilizando um reator de filamento quente com adição de CH$_{4}$ de 1, 2, 6 e 10 sccm diluído em H$_{2}$ para um fluxo total de 200 sccm. Para cada concentração de CH$_{4}$ quatro níveis de dopagem foram estudados. As imagens em Microscopia Eletrônica de Varredura mostraram filmes bem facetados, sem delaminações ou rachaduras. A razão SP$^{2}$/SP$^{3}$ dos filmes, ou índice de pureza (${"}$purity index${"}$ - IP) e o índice de tendência de crescimento (${"}$growth tendency index${"}$ - TC) foram calculados a partir das análises de Espectroscopia de Espalhamento Raman e Difratometria de Raios-X, respectivamente. O índice TC foi utilizado para avaliar a competição entre o crescimento de diamante e a formação de TiC, que aumentou com a adição de CH$_{4}$ para todos os níveis de dopagem de boro estudados. As caracterizações eletroquímicas mostraram o amplo intervalo de potencial de trabalho dos eletrodos enquanto a transferência eletrônica do sistema Fe(CN)6$^{3-/4-}$ caracterizou os mesmos como quase reversíveis. Estimou-se através da técnica de Mott-Shottky Plot (MSP) o número de portadores de carga obtendo valores da ordem de 10$^{18}$- 10$^{20}$ cm$^{-3}$. Todos os eletrodos foram aplicados na degradação do corante Verde Brilhante devido sua larga aplicação na indústria têxtil. A eficiência no processo de degradação foi acompanhada por técnicas analíticas como Espectroscopia na região do UVVis, Cromatografia Líquida de Alta Eficiência e medidas de Carbono Orgânico Total. Os ensaios de degradação eletroquímica mostraram que os melhores resultados foram obtidos utilizando a menor concentração do eletrólito suporte (0,1 mol L$^{-1}$) na densidade de corrente de 100 mA cm$^{-2}$ em uma temperatura de 25 $^{°}$C. Estes resultados foram obtidos utilizando o eletrodo com a menor concentração de CH$_{4}$ (1 sccm)na dopagem de 15000 ppm de B/C, sendo que o mesmo, apresentou a maior queda de concentração do corante em um menor tempo de degradação. Além disso, esse eletrodo também apresentou a maior porcentagem de mineralização (72\%)associada àmaior redução dos compostos aromáticos. Este comportamento pode ser atribuído à alta qualidade cristalina e adequada condutividade desse filme associada a sua baixa densidade de carbono do tipo sp2 no contorno grão. === Doped diamond films on titanium substrate were systematically studied by controlling their sp$^{2}$/sp$^{3}$hybridization as well as their boron doping levels. Samples were grown by hot filament chemical vapor deposition technique at CH4 additions of 1, 2, 6 and 10 sccm diluted in H$_{2}$ for a total flow rate of 200 sccm. For each CH$_{4}$ concentration four doping levels were studied. Scanning electron microscopy images depicted well faceted films without cracks or delaminations. The sp$^{2}$/sp$^{3}$ ratio as ${"}$purity index${"}$ (IP) and the ${"}$growth tendency index${"}$ (TC) were evaluated by Raman and X-ray spectra, respectively. GTI index was used in this work to analyze the competition between the diamond growth and TiC formation. A constant TC increase was observed as a function of CH4 addition for the whole range of the boron doping studied. Electrochemical characterizations showed the wide potential window of the electrodes while the electronic transfer system Fe (CN)6$^{3- / 4-}$ characterized them as quasi reversible. The charge carrier densities were estimated by Mott-Shottky plot (MSP) technique in the range from 10$^{18}$ to 10$^{20}$ cm$^{-3}$. These electrodes were applied to the degradation of Brilliant Green dye, which is widely used in the textile industry. The efficiency in the degradation process was followed by analytical techniques such as UVVis Spectroscopy, High Performance Liquid Chromatography, and measurement of Total Organic Carbon. The electrochemical degradation tests showed that the best results were obtained with the lowest concentration of the electrolyte (0.1 mol L$^{-1}$),at current density of 100 mA cm$^{-2}$, and at 25 $^{°}$C. These results were obtained using the electrode with the lowest concentration of CH$_{4}$ (1 sccm) in doping of 15000 ppm B/C, because its showed the highest loss of dye in a shortest degradation time. In addition, this electrode also depicted a highest mineralization percentage (72\%) associated to the greatest aromaticity reduction. This behavior can be attributed to the high crystalline quality and the suitable conductivity of this electrode associated to its low density of sp$^{2}$ carbon at the grain boundaries.