INVESTIGAÇÃO DE MATERIAIS A BASE DE GRAFENO UTILIZADOS COMO ELETROCATALISADORES EM CÉLULAS COMBUSTÍVEL DE H2 - DOPANTE: NITROGÊNIO PIRIDÍNICO

PAULO FELIPE DOS ANJOS DE CASTRO; Gladson de Souza Machado

Título do Trabalho

Autores

PAULO FELIPE DOS ANJOS DE CASTRO
Gladson de Souza Machado

Modalidade

Resumo

Área temática

Ciências Exatas e da Terra - Química

Data de Publicação

22/04/2025

País da Publicação

Brasil

Idioma da Publicação

Português

Página do Trabalho

https://www.even3.com.br/anais/xi-raic-e-v-raidtec-ufrrj/930037-investigacao-de-materiais-a-base-de-grafeno-utilizados-como-eletrocatalisadores-em-celulas-combustivel-de-h2---do

ISBN

978-65-272-1295-9

Palavras-Chave

DFT, cluster, redução de oxigênio

Resumo

A elevação da temperatura média do planeta, que vem sendo agravado pela emissão de gases do efeito estufa, é um problema a ser combatido. Um dos fatores que mais contribuem para essa emissão é a queima de combustíveis fósseis, logo, é fundamental a descarbonização da matriz energética. Nesse contexto, a utilização de hidrogênio como combustível vem sendo investigado. Porém, para sua utilização em células combustíveis, o material que apresenta a melhor atividade catalítica para as reações de redução de oxigênio no cátodo é a platina, que não é viável em larga escala. Visando sua substituição, o presente plano de trabalho tem como objetivo investigar, de forma teórica, um material a base de grafeno dopado com nitrogênio, com base na diferença de energia das reações de redução do oxigênio no cátodo. Para isso, o eletrocatalisador será representado por um cluster bidimensional, com um nitrogênio piridínico ao centro. Foram realizados cálculos teóricos de otimização de geometria e frequência vibracional utilizando a Teoria do Funcional de Densidade através do funcional PBE, com o conjunto de funções de base cc-pVDZ, considerando sistema em fase isolada, no programa Orca 5.0.3. Existe uma competitividade entre dois mecanismos: o mecanismo de 4 elétrons que é composto das etapas * + O2 ? O2* + e- + H+ ? HO2* + e- + H+ ? O* + e- + H+ ? HO* +e- + H+ ? H2O + *, e o mecanismo de 2 elétrons que é composto das etapas * + O2 ? O2* + e- + H+ ? HO2* + e- + H+ ? * + H2O2. Com a realização dos cálculos de otimização da geometria molecular, pôde-se notar a distorção entre alguns anéis aromáticos, que não ficam no mesmo plano, devido a pouca quantidade de anéis ao redor do espaço do nitrogênio piridínico. Em virtude do nitrogênio ser mais eletronegativo que o carbono, este átomo dopado apresentou a menor carga parcial do cluster, de -0,245. Como consequência, os dois átomos de carbono ligados a ele apresentaram as maiores cargas parciais, sendo ambas iguais a 0,081. Os cálculos de otimização de geometria da primeira etapa, adsorção do oxigênio ao catalisador, convergiram para uma adsorção física, devido a distância entre o oxigênio e o catalizador, o que pode indicar que a adsorção química seja facilitada em solução ácida, que é a condição de operação real de uma célula combustível. Como os cálculos foram feitos em fase isolada, essa hipótese será verificada com futuros cálculos em fase solvatada. A adsorção química dos demais intermediários, HO2*, O* e HO*, foi avaliada em 4 possíveis sítios ativos, C4, C9, C11 e C24. O produto da segunda etapa, HO2*, é comum aos dois mecanismos, sendo a diferença de energia corrigida pela energia de ponto zero da etapa do mecanismo de 2 elétrons, que leva à formação de peróxido de hidrogênio, varia entre -9,2 e -9,8 eV. Na etapa competitiva do mecanismo de 4 elétrons, que leva à formação de O*, a diferença de energia variou entre -9,5 e -10,1 eV, ou seja, há sítios de adsorção em que essa etapa é mais exotérmica que a anterior. Nas duas etapas seguintes a diferença de energia variou entre -8,9 e -9,5 eV e -9,7 e -10,9 eV, respectivamente. Com base nos dados, pode-se concluir que a metodologia de cálculo foi adequada, todas as etapas ocorrem de forma exotérmica e que as adsorções em diferentes sítios ocorrem com diferenças de energias semelhantes. Como perspectivas futuras, serão calculados os estados de transição de cada etapa e serão feitos cálculos considerando fase solvatada para investigação do efeito catalítico deste material.

Título do Evento: XI Reunião Anual de Iniciação Científica da UFRRJ (RAIC 2024) & V Reunião Anual de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (RAIDTec 2024)
Cidade do Evento: Seropédica
Título dos Anais do Evento: Anais da XI Reunião Anual de Iniciação Científica da UFRRJ (RAIC) e V Reunião Anual de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (RAIDTec): Transição energética: impactos ambientais e sociais
Nome da Editora: Even3
Meio de Divulgação: Meio Digital

Como citar

CASTRO, PAULO FELIPE DOS ANJOS DE; MACHADO, Gladson de Souza. INVESTIGAÇÃO DE MATERIAIS A BASE DE GRAFENO UTILIZADOS COMO ELETROCATALISADORES EM CÉLULAS COMBUSTÍVEL DE H2 - DOPANTE: NITROGÊNIO PIRIDÍNICO.. In: Anais da XI Reunião Anual de Iniciação Científica da UFRRJ (RAIC) e V Reunião Anual de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (RAIDTec): Transição energética: impactos ambientais e sociais. Anais...Seropédica(RJ) UFRRJ, 2024. Disponível em: https//www.even3.com.br/anais/xi-raic-e-v-raidtec-ufrrj/930037-INVESTIGACAO-DE-MATERIAIS-A-BASE-DE-GRAFENO-UTILIZADOS-COMO-ELETROCATALISADORES-EM-CELULAS-COMBUSTIVEL-DE-H2---DO. Acesso em: 19/11/2025