Nonaqueous sol-gel routes to doped metal oxide nanoparticles: synthesis, characterization, assembly and properties

Abstract

The results presented in this thesis have been achieved under the Ph.D. project entitled “Nonaqueous Sol-Gel routes to doped metal oxide nanoparticles: Synthesis, characterization, assembly and properties”. The purpose of this study is the investigation of metal oxide nanostructures doped with metals of a diverse nature, leading to different type of applications. The easier control over the reaction kinetics in solvothermal routes, compared to aqueous methods, allows to better match the reactivity between metal oxide precursors, paving the way to a facile and low temperature production of doped oxides. In this manuscript diverse examples of the exploitation of the “Benzyl Alcohol Route” are discussed. Such a powerful pathway was utilized for the synthesis of transition metal doped zirconia, hafnia and various perovskites, and the study of their magnetic properties, as well as the synthesis of rare earth doped zirconium oxide. A further extension, proving the solidity of the synthetic method, is shown for the preparation of Li4Ti5O12 nanocrystals carrying excellent electrochemical properties for lithium-ion battery applications. Finally, the effect of doping and other reaction parameters on the assembly of the nanocrystals is discussed. These studies were carried out principally at the University of Aveiro, as well as at the University of Montpellier II and at the Seoul National University due to complementary available expertises and equipments.

Os resultados apresentados nesta tese foram obtidos sob o projeto de doutoramento intitulado " Vias de Síntese não aquosas para nanopartículas de óxido metalicos dopados: Síntese, caracterização, organização e propriedades". O objetivo deste estudo é a investigação de nanoestruturas de óxidos metalicos dopados com metais de diversa natureza, conduzindo a diferentes tipos de aplicações. O controlo mais fácil da a cinética reaccional nas vias de sintese solvotermicas, em comparação com métodos aquosos, permite combinar a reatividade dos precursores dos óxidos metalicos, abrindo o caminho a uma forma de produção de óxidos dopados fácil e a baixa temperatura. Neste manuscrito são discutidos diversos exemplos da aplicação da " via de síntese com o alcool benzílico". Esta poderosa via sintetica foi utilizada para preparar zircônia, háfnia e varias perovsquites dopadas com metais de transição, na procura de propriedades magnéticas interessantes, e igualmente na preparação de óxido de zirconio dopado com metais raros. Uma utilização adicional deste metodo de sintese, que prova a sua solidez, constitui na preparação de nanocristais de Li4Ti5O12 com excelentes propriedades eletroquímicas para aplicações em baterias de lítio. Finalmente, o efeito do dopagem e dos outros parâmetros de reação no empacotamento dos nanocristais é racionalizado. O estudo desses materiais foi realizado na Universidade de Aveiro e tambem na University of Montpellier II e na Seoul National University, onde existem equipamentos e competências complementares.