Élaboration et caractérisation de nouvelles ferrites: Conception d’un capteur de Gaz

Abstract

Le présent travail a porté sur l’étude de l’effet de la méthode de préparation et de la substitution de baryum et de bismuth sur les propriétés structurale, morphologique, diélectrique et particulièrement la détection des gaz d’éthanol et de H2S des composés La1-2xBaxBixFeO3 (0,00  x  0,20). D’abord, nous avons étudié l’effet de la méthode de synthèse sur les propriétés physiques du composé La0,8Ba0,1Bi0,1FeO3 préparé par les deux méthodes sol-gel et d’auto-combustion. Les études structurale, morphologique et Raman ainsi que l’étude diélectrique ont révélé que la méthode d’auto-combustion permet la préparation des composés avec des faibles tailles des cristallites et des propriétés physiques plus importantes que la méthode de sol-gel. Par la suite nous avons adopté la méthode d’auto-combustion pour la préparation de la série des composés La1-2xBaxBixFeO3 (0,00  x  0,20). Les analyses par diffraction des rayons-X (DRX), par microscopie électronique à balayage (MEB) et à transmission (MET) ont révélé que le composé avec x= 0,10 présente la taille de cristallites la plus petite. À partir les données de spectroscopie d'impédance, nous avons déduit que le composé avec x=0,10 possède la résistance la plus petite en comparaison avec les autres composés. Les courbes de la conductivité alternative ont prouvé un comportement de type Jonscher pour tous les composés où le paramètre s augmente avec l’accroissement de la température pour tous nos composés. Le modèle NSPT est trouvé le modèle de conduction le plus adéquat. L’étude faite par microscopie à force atomique (MFA) a montré que le composé avec x=0,10 possède la plus grande rugosité de la surface. La réponse des différents capteurs, donnée par le rapport entre la résistance en présence du gaz et celle à vide, a confirmé que le composé avec x = 0,10 présente la meilleure réponse envers les deux gaz testés à des faibles températures de fonctionnement (180°C pour l’éthanol et 200°C pour le H2S) et même à faibles concentrations.

Neste trabalho estudou-se o efeito do método de síntese e da substituição de Ba e Bi nos compósitos LaFeO3 sobre as propriedades estruturais, morfológicas, dielétricas e de deteção de gases (etanol e H2S). O composto La0,8Ba0,1Bi0,1FeO3 foi preparado por duas rotas de síntese: sol-gel e auto-combustão. O efeito do método de síntese sobre o referido composto foi estudado por difração de raios-X (DRX), microscopia eletrónica de varrimento (MEV), Raman e espetroscopia de impedância. Os resultados revelaram que a amostra preparada por auto-combustão apresentava melhores propriedades físicas e inferior tamanho de cristalites. Foi, por isso, escolhida esta rota de síntese para o estudo dos compósitos para aplicação em deteção de gases. Assim, foram preparadas por auto-combustão amostras La1-xBaxBixFeO3 (0,00 ≤ x ≤ 0,20). Os estudos por DRX, MEV e microscopia eletrónica de transmissão (MET) mostraram que o composto com a substituição x = 0,10 apresentava o menor tamanho de cristalites e de partículas. Os resultados por espectroscopia de impedância revelaram que este composto possuía menor resistência que as outras amostras. A microscopia de força atómica (MFA) mostrou ainda que a superfície deste composto era mais rugosa que a das outras amostras. O comportamento do tipo Jonscher foi comprovado para todas as amostras, onde o parâmetro s aumenta com o aumento da temperatura para todos os nossos compostos, tendo-se revelado o modelo de condução NSPT o mais adequado. Por fim, realça-se que o composto La0,8Ba0,1Bi0,1FeO3 (x = 0,10) exibiu excelente comportamento na resposta aos gases de etanol e H2S, mesmo a muito baixas concentrações (5 ppm), a temperaturas relativamente baixas de 180 ºC e 200 ºC, respetivamente para o etanol e o H2S. Os tempos de resposta e de recuperação determinados para estes dois gases foram muito curtos, 5 s e 10 s respetivamente para o etanol e o H2S.

In the present work, the effect of the synthesis route and the substitution in A-site of the lanthanum ferrite LaFeO3 compound on the structural, morphological, dielectric and importantly the gas sensing properties of the La1-2xBaxBixFeO3 (x=0.0, 0.05, 0.1, 0.15 and 0.20) compounds has been studied. Firstly, the La0.8Ba0.1Bi0.1FeO3 compound was prepared by the sol-gel and the autocombustion methods. The effect of the preparation method has been carried out using the X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), Raman and impedance spectroscopy. The obtained results revealed that the sample prepared by the auto-combustion route presents a lower crystallite size and very important physical properties. So, the auto-combustion route is more suitable for gas-sensing applications. After, the La1-2xBaxBixFeO3 (0.00 ≤ x ≤ 0.20) materials have been successfully prepared by the auto-combustion route using the glycine as fuel. XRD, SEM and transmission electron microscopy (TEM) analyses have revealed that the compound with x = 0.10 presents the smallest average crystallites size. From the impedance spectroscopy data, we have deduced that the compound with x = 0.10 has the smallest resistance in comparison with the other compounds. The evolution of the ac conductivity has proven a Jonscher’s behavior where the exponent s showed an increase trend for all samples (NSPT model). We have confirmed that the La0.8Ba0.1Bi0.1FeO3 (x = 0.10) compound exhibits a high surface roughness, as determined by atomic force microscopy (AFM) measurements. The La0.8Ba0.1Bi0.1FeO3 (x = 0.10) compound has shown to exhibit excellent performance in ethanol and H2S gas response even for very low concentrations (5 ppm) with an optimum operating temperature of 180 and 200°C, respectively. Furthermore, the response and recovery times analyzed for both these gases were found to be very short (between 5 and 10 s).