Nanopartículas de ZnO Dopadas com Cério: Explorando Efeitos Piezoelétricos para a Geração de Energia Limpa
Thiago Zilli; Luiz Gustavo Davanse da Silveira; Guilherme Jean Pereira de Abreu
Resumo
Diante da crescente demanda por energia e da urgência em substituir fontes poluentes, novas tecnologias vêm sendo exploradas para a geração de energia limpa. Este artigo apresenta um desses esforços: o uso de nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) dopadascom cério para potencializar o efeito piezoelétrico, fenômeno que gera eletricidade a partir de deformações mecânicas. Exibimos resultados da comunidade acadêmica sobre como a dopagem com cério melhora significativamente o desempenho dessas nanopartículas, aumentando sua capacidade de gerar energia e contribuindo, inclusive, para a redução de gases do efeito estufa. Com isso, o ZnO + Ce se destaca como um material promissor na busca por soluções sustentáveis e eficientes para o futuro energético da Terra.
Introdução
Devido a crescente modernização da sociedade é notável o aumento no consumo de energia por conta do ritmo acelerado impulsionado pelo avanço tecnológico. Cada parte de nossas vidas, até mesmo em situações cotidianas exigem cada vez mais energia. Porém, a esmagadora maioria, superior a 80% segundo um estudo do Energy Institute – Statistical Review of World Energy (2024) [1] , da energia utilizada atualmente é obtida atráves de fontes não renováveis como o petroleo, carvão e gás natural. Ver Figura 1 1.
Essas fontes são extremamente poluentes para o planeta devido a emissão de gás carbônico que é o principal agente no efeito estufa, bem como Óxidos de nitrogênio e enxofre responsáveis por chuvas ácidas.
Diante desse cenário, é urgente repensar a forma como produzimos e utilizamos energia. Diversificar a matriz energética e investir em fontes limpas e renováveis é essencial para garantir um futuro sustentável. Isso significa buscar soluções que sejam eficientes, menos agressivas ao meio ambiente e livres de emissões de gases poluentes.
Nos últimos anos, sistemas de autogeração de energia, como os painéis solares, tornaram-se mais populares. Eles funcionam com base no efeito fotoelétrico — um fenômeno físico conhecido há mais de um século.
Mas além da luz solar, outros fenômenos físicos vêm sendo explorados para criar novas tecnologias energéticas. Um deles é o efeito piezoelétrico, capaz de gerar eletricidade a partir de deformações mecânicas em certos materiais. Essa propriedade tem despertado o interesse da ciência por sua capacidade de transformar vibrações do ambiente, como passos ou movimentos, em energia elétrica.
Dentro dessas novas tecnologias energéticas estão as nano particulas ,as quais são partículas extremamente pequenas, na ordem de um nanometro que é um milhao de vezes menor que um milímetro. O fato de estarem nessa escala influencia diretamente as suas propriedades como maior reatividade. Por sua vez dopar uma nanoparticula com algum material, nesse caso o cério, é introduzir a ele outro elemento químico que tende a modificar e melhorar suas propriedades.
Nesse caso estudado, o cério é utilizado pois visam melhorar a eficiencia do ZnO na produção de energia bem como potencializar o efeito piezoelétrico.
Neste contexto, o desenvolvimento de novos materiais com propriedades piezoelétricas aprimoradas como as nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) dopadas com cério abre caminho para soluções energéticas inovadoras, com grande potencial para contribuir com a redução das emissões de carbonoe a sustentabilidade do planeta.
2 Desenvolvimento
2.1 Piezoeletriciade
Levando em conta a necessidade global e o potêncial do Brasil em diversificar a sua maatriz energética e transforma-lá para um caminho mais sutentável deve-se levar em conta a Piezoeletricidade.
A piezoeletricidade é um fenômeno no qual certos cristais conseguem gerar energia elétrica quando submetidos a forças mecânicas, como pressão ou deformação. Esse comportamento vem sendo estudado desde o final do século XIX, após a descoberta feita pelos irmãos Pierre e Jacques Curie, que perceberam que alguns materiais, ao serem comprimidos, produzem cargas elétricas. Além disso, observaram que esses mesmos materiais sofrem deformações quando expostos a um campo elétrico.
O termo “piezoeletricidade” foi introduzido por Hankel, combinando as palavras gregas “piezo” (que significa pressionar) e “eletricidade”, para descrever essa geração de eletricidade provocada por compressão em certos materiais. [2].
Nesse sentido, diversos técnologias e materiais foram testados e ainda estão sendo estudados a fim de melhorar a resposta piezoelétrica. Sendo a assim daremos enfoque as nanoparticulas de ZnO as quais apresentam vantagens significativas tanto com relação a sua produção, quanto ao seu desempenho [3]
2.2 A nanoparticula de ZnO
As nanopartículas são partículas extremamente pequenas, com dimensões na escala de 1 nanômetro, sendo cerca de cem mil vezes menores que a espessura de um fio de cabelo. Mais especificamente, a nanopartícula de óxido de zinco (ZnO) é um material que possui propriedades físicas e eletrônicas notáveis.
O ZnO se destaca por ter uma lacuna de energia (ou band gap) de cerca de 3,37 elétron-volts, valor ideal para aplicações em dispositivos ópticos e eletrônicos. Além disso, apresenta boa mobilidade eletrônica, o que significa que os elétrons se movem com facilidade pelo material — característica essencial para o funcionamento eficiente de sensores, nanogeradores piezoelétricos e células solares.
Outro aspecto importante do ZnO é sua estrutura cristalina natural, conhecida como “wurtzita”. Nessa configuração, os átomos de zinco e oxigênio se organizam de forma simétrica em posições tetraédricas, formando uma rede hexagonal. Essa estrutura é a base de muitas das propriedades únicas do ZnO, incluindo sua capacidade de gerar eletricidade quando submetido à pressão mecânica, o chamado efeito piezoelétrico. [4]
2.3 Dopagem de Zno com Ce
O cério pode existir em duas formas, chamadas de estados de valência: uma com carga +3 (Ce+3), e outra com carga +4 (Ce+4). Essa capacidade de “mudar de forma”eletronicamente permite que ele interaja de maneiras diferentes com outros materiais. Dentro do artigo veremos sua interação com o óxido de zinco (ZnO), um composto muito usado em sensores, protetores solares e dispositivos eletrônicos.
Incorporar átomos de cério na estrutura do óxido de zinco é uma técnica chamada dopagem, e pode modificar profundamente suas propriedades. Dependendo do tipo de
cério usado, ele pode se encaixar melhor ou pior na estrutura do ZnO, como peças de quebra-cabeça com formatos e tamanhos diferentes. O Ce+4, por exemplo, se encaixa
melhor e pode até substituir o zinco na estrutura original, gerando mudanças importantes. Ver Figura 2 2
As mudanças causadas pela dopagem alteram como o material se comporta com a luz e com outras substâncias. Por exemplo, o bandgap (uma espécie de barreira energética ) pode ser ajustado. Isso significa que o ZnO dopado com cério pode deixar de absorver apenas luz ultravioleta e passar a aproveitar também a luz visível. [5]
2.4 Utilização de Zno dopado Ce na energia renovável
O efeito da dopagem é especialmente útil em tecnologias como fotocatálise (quebra de poluentes usando luz) ou fotoluminescência (emissão de luz por excitação). [6].
Dando enfoque ao efeito Piezoelétrico, pesquisadores da Universidade de Delhi, na India sintetizaram nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) puras e dopadas com cério (Ce), e a dopagem com Ce trouxe melhorias impressionantes. Ela alterou a estrutura das nanopartículas, reduzindo seu tamanho e ajustando sua forma de bastão, além de modificar como elas interagem com a luz. O mais surpreendente foi o aumento significativo na capacidade das nanopartículas dopadas de gerar eletricidade sob pressão, com um coeficiente piezoelétrico (d33) subindo para 30 pC/N, em contraste com o valor padrão do ZnO puro (d33 5–10 pC/N).
Essas mudanças abrem portas para dispositivos mais eficientes e sensíveis, com aplicações promissoras em medicina, energia renovável e eletrônica. [8]
Além disso, simulações computacionais baseadas na teoria do funcional de densidade, apontam que o ZnO dopado com cério, além de ser um material eficiente para a geração de piezoeletricidade, ao entrar em contato com moleculas de dióxido de carbono (CO2) acabam enfraquecendo as ligações deste gás apontado como um dos agentes principais no efieto estufa. [7]
A dopagem também cria sítios de adsorção, que são pontos onde outras moléculas podem se prender, o qual é algo essencial para sensores e catalisadores. Além disso, o cério tem ganhado espaço em áreas da saúde, sendo usado como marcador biológico ou como agente de contraste em exames de imagem, como a ressonância magnética.
3 Conclusão
Portanto, a produção de nanopartículas de ZnO dopadas com cério representa um avanço promissor no campo da geração de energia limpa, especialmente por meio do efeito piezoelétrico. A dopagem com Ce tem demonstrado evidentemente um potencial significativo para melhorar a eficiência do ZnO, tornando-o um material mais competitivo e versátil em aplicações tecnológicas. Os estudos analisados revelam que essa modificação estrutural não apenas amplia a resposta piezoelétrica, como também influencia positivamente outras propriedades ópticas e eletrônicas do material.
Além disso, os benefícios ambientais associados ao uso dessas nanopartículas são notáveis, já que elas podem contribuir para a redução da emissão de gases poluentes e até mesmo interagir com moléculas de dióxido de carbono, auxiliando na mitigação dos efeitos do aquecimento global.
Desta maneira, o ZnO dopado com Cério pode ser visto como um material de notável importância por estar alinhado com as medidas combativas ao uso de energia não renovável, reforçando então sua pesquisa e esforços academicos.
Agradecimentos
Agradeço a Universidade Federal do Paraná por ceder todo o ambiente necessário à pesquisa, a Fundação Araucária: PI 05/2023 NAPI EZC DIOE, ed. 11384 pela bolsa de pesquisa e ao professor Guilherme Abreu pela orientação.
Referências
[1] Energy Institute – Statistical Review of World Energy (2024) – with major processing by Our World in Data. “Share of primary energy consumption that comes from nuclear power – Using the substitution method” [dataset]. Energy Institute, “Statistical Review of World Energy” [original data].
[2] Lima, K. L. C., Santos, G. A. S., & Duarte, J. P. B. S. (2023). Energia limpa em potencial: A piezoeletricidade como uma alternativa para o Brasil. Revista Ibero-Americana de Humanidades, Ciências e Educação – REASE, 10(11). doi: 10.51891/rease.v10i11.16861.
[3] Kwon, S.-S., Kim, S. J., Seo, J. W., Park, J., Kim, S. M., & Kim, J. (2008). Piezoelectric effect on the electronic transport characteristics of ZnO nanowire field-effect transistors on bent flexible substrates. Adv. Mater., 20(23), 4557–4562.
[4] Silva, J. R. da, Oliveira, M. A. de. (2013). Propriedades eletrônicas, estruturais e constantes elásticas do ZnO. Química Nova, 36(3), 360–365. Disponível em: https://www.scielo.br/j/qn/a/SDgM6VhWvGGs447mCYpnsqy/
[5] Chelouche, A., Hamzaoui, A. H., Bouzid, A., Aida, M. S. (2014). Synthesis and characterizations of new morphological ZnO and Ce-doped ZnO powders by sol–gel process. Optik, 125, 5626–5629.
[6] Domingos, L. M. L. (2022). Síntese e caracterização de nanopartículas de óxido de zinco dopadas com metais de terras raras (cério, érbio e neodímio) (Tese de Mestrado). Universidade Federal do Paraná, Curitiba.
[7] Doria, A., Durango, R. E. P., & Varilla, L. A. A. (2024). Activation of carbon dioxide on zinc oxide surfaces doped with cerium. Emergent Materials, 7, 1997–2005. https://doi.org/ 10.1007/s42247-024-00662-9
[8] Sinha, N., Ray, G., Bhandari, S., Godara, S., & Kumar, B. (2014). Synthesis and enhanced properties of cerium doped ZnO nanorods. Ceramics International, 40(8, Part A), 12337– 12342. https://doi.org/10.1016/j. ceramint.2014.04.079
[9] Rodriguez-Mena, E.Y.; Alcalá-Varilla, L.A.; Ortiz-Romero, J.D. (2024). First- Principles Study of the Consequences of Cerium Doping on the Photocatalytic Activity of Zinc Oxide. International Journal of Molecular Sciences, 25, 13033. https://doi.org/10.3390/ ijms252313033
Autores:
Thiago Zilli, desenvolve estudos sob orientação do prof. dr. Guilherme Jean Pereira de Abreu, docente da UFPR
Luiz Gustavo Davanse da Silveira, docente da UFPR
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
