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Efeito do método e da atmosfera de sinterização nas propriedades termoelétricas das cobaltitas de cálcio dopadas com bismuto

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dc.creator ALMEIDA, Vitor Hugo Pedrote dos Santos
dc.date.issued 2026-02-19
dc.identifier.citation ALMEIDA, Vitor Hugo Pedrote dos Santos. Efeito do método e da atmosfera de sinterização nas propriedades termoelétricas das cobaltitas de cálcio dopadas com bismuto. 2026. 110 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2026. pt_BR
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4398
dc.description.abstract Electrical power generation from the recovery (or conversion) of waste heat in thermal systems emerges as a sustainable alternative for mitigating the negative impacts of fossil fuel use. The energy conversion performance of thermoelectric materials is considered high when the material exhibits high values of figure of merit (zT > 1.0). Calcium cobaltite (Ca3Co4O9, CCO) stands out among oxides with potential thermoelectric application due to its chemical stability at high temperatures, high electrical conduction, and reduced thermal conduction. The material behaves as a p‑type semiconductor, conducting electricity mainly by electronic holes transported by a hopping mechanism, which migrate from Co4+ to Co3+. Its distinct crystal structure, composed of rock‑salt‑type layers (Ca2CoO32−) and CdI2‑type layers (CoO22+), gives the material morphological characteristics of lamellar particles. Although this complex structure brings benefits to the thermoelectric properties, the morphology of its particles makes it difficult to densify CCO ceramics, which is crucial for the ceramics to exhibit high thermoelectric performance. Additionally, doping with heavy chemical elements such as Bi3+ can induce distortion in the crystal lattice, decreasing the thermal conductivity of the material, as well as increasing the Seebeck coefficient. Thus, aiming to enhance the thermoelectric properties of CCO ceramics, this work combined the use of different sintering techniques and atmospheres. The compositions Ca3Co4O9 and Ca2.8Bi0.2Co4O9 were synthesized by the solid‑state reaction method using the precursors CaCO3, Co(NO3)2·6H2O, and Bi2O3. The ceramics were conventionally sintered in oxidizing atmospheres (air or O2) at 900 °C for 9 h or were sintered by the non‑conventional microwave (MW) technique at 900 °C, with a dwell time of 30 minutes. Alternatively, the MW‑sintered ceramics were subjected to subsequent heat treatments carried out in a conventional furnace, in O2 atmosphere, at 900 °C for 9 h, in order to reduce the concentration of oxygen vacancies and stabilize the CCO phase. X‑ray diffraction (XRD) analyses of the calcined powders revealed that the addition of Bi maximized the formation of the main phase (93.4(4)% of Ca3Co4O9) compared to the undoped composition (81.8(9)%). Scanning electron microscopy (SEM) micrographs showed that the doped ceramics presented larger grain size than those obtained for the undoped ceramics. The undoped samples achieved higher densification (relative geometric densities between about 66.4±0.2% and 69.3±0.7%) and lower apparent porosity (34.7±0.2% to 36.2±0.3%) compared to the doped ceramics, with MW sintering being the most efficient to densify the undoped ceramics. Furthermore, the undoped ceramics presented Seebeck values higher than most doped ceramics. The only exception was the ceramic sintered by MW at 900 °C for 30 minutes, which reached the highest Seebeck value. The undoped samples conventionally sintered in air presented the best thermoelectric results, reaching a power factor of 0.22 mW/m·K² at 600 °C. pt_BR
dc.language por pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Cobaltita de cálcio pt_BR
dc.subject Propriedades termoelétricas pt_BR
dc.subject Bismuto pt_BR
dc.subject Micro-ondas pt_BR
dc.subject Atmosfera oxidante pt_BR
dc.title Efeito do método e da atmosfera de sinterização nas propriedades termoelétricas das cobaltitas de cálcio dopadas com bismuto pt_BR
dc.type Dissertação pt_BR
dc.date.available 2026-04-27
dc.date.available 2026-04-27T13:23:23Z
dc.date.accessioned 2026-04-27T13:23:23Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/0349823862839115 pt_BR
dc.contributor.advisor1 GELFUSO, Maria Virgínia
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/1931804914096511 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 THOMAZINI, Daniel
dc.contributor.advisor-co1Lattes http://lattes.cnpq.br/9231104428523774 pt_BR
dc.description.resumo A geração de energia elétrica pelo reaproveitamento (ou conversão) do calor desperdiçado em sistemas térmicos surge como alternativa sustentável para a mitigação dos impactos negativos da utilização de combustíveis fósseis. O desempenho da conversão de energia de materiais termoelétricos é considerado elevado quando o material apresenta altos valores de figura de mérito (zT > 1,0). A cobaltita de cálcio (Ca3Co4O9, CCO) destaca-se entre os óxidos com potencial aplicação termoelétrica devido à sua estabilidade química, a altas temperaturas, elevada condução elétrica e reduzida condução térmica. O material comporta-se como um semicondutor tipo p, conduzindo eletricidade, principalmente, por buracos eletrônicos transportados pelo mecanismo de hopping, que migram do Co4+ para o Co3+. Sua estrutura cristalina diferenciada, composta por camadas tipo sal-gema (Ca2CoO32-) e CdI2 (CoO22+) confere ao material características morfológicas de partículas lamelares. Apesar desta estrutura complexa trazer benefícios para as propriedades termoelétricas, a morfologia de suas partículas dificulta a densificação de cerâmicas de CCO, crucial para que as cerâmicas apresentem elevado desempenho termoelétrico. Adicionalmente, a dopagem com elementos químicos pesados, como Bi3+, podem induzir distorção na rede cristalina, diminuindo a condutividade térmica do material, além de aumentar o coeficiente Seebeck. Desta forma, visando aumentar as propriedades termoelétricas de cerâmicas de CCO, esse trabalho combinou o emprego de distintas técnicas e atmosferas de sinterização. As composições Ca3Co4O9 e Ca2.8Bi0.2Co4O9 foram sintetizadas pelo método de reação em estado sólido utilizando os precursores CaCO3, Co(NO3)2.6H2O e Bi2O3. As cerâmicas foram sinterizadas convencionalmente em atmosferas oxidantes (ar ou O2), a 900 oC, durante 9 h ou foram sinterizadas pela técnica não convencional de micro-ondas (MW) a 900 oC, em patamar de 30 minutos. Alternativamente, as cerâmicas sinterizadas em MW foram submetidas a tratamentos térmicos posteriores, realizados em forno convencional, em atmosfera de O2, a 900 oC, durante 9 h, de modo a reduzir a concentração de vacâncias de oxigênio e estabilizar a fase CCO. Análises de Difratometria de Raios X (DRX) dos pós calcinados revelaram que a adição de Bi maximizou a formação da fase principal (93,4(4)% de Ca3Co4O9) em relação à composição pura (81,8(9)%). As micrografias obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) revelaram que as cerâmicas dopadas apresentaram tamanho de grão maior do que aqueles obtidos para as cerâmicas puras. As amostras puras alcançaram maior densificação (densidades geométricas relativas entre cerca de 66,4±0,2% e 69,3±0,7%) e menor porosidade aparente (34,7±0,2% a 36,2±0,3%) em comparação com as cerâmicas dopadas, sendo a sinterização por MW a mais eficiente para densificar as cerâmicas puras. Além disso, as cerâmicas puras apresentaram valores de Seebeck superiores à maioria das cerâmicas dopadas. A única exceção foi para a cerâmica sinterizada em MW à 900 oC durante 30 minutos, que alcançou o maior valor de Seebeck. As amostras puras, sinterizadas convencionalmente, ao ar, apresentaram os melhores resultados termoelétricos, atingindo fator de potência de 0,22 mW/m·K², a 600 °C. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IEM - Instituto de Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Ciência e Engenharia de Materiais pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALÚRGICA pt_BR


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