INVESTIGAÇÃO DE MATERIAIS A BASE DE GRAFENO UTILIZADOS COMO ELETROCATALIZADORES EM CÉLULAS COMBUSTÍVEL DE H2 - DOPANTES: ENXOFRE E NITROGÊNIO PIRIDÍNICO

Isys Maciel Soares; Gladson de Souza Machado

Título do Trabalho

Autores

Isys Maciel Soares
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

pt-BR

Página do Trabalho

https://www.even3.com.br/anais/xi-raic-e-v-raidtec-ufrrj/931286-investigacao-de-materiais-a-base-de-grafeno-utilizados-como-eletrocatalizadores-em-celulas-combustivel-de-h2---do

ISBN

978-65-272-1295-9

Palavras-Chave

DFT; cluster; redução de oxigênio.

Resumo

A utilização de gás hidrogênio como combustível pode ser uma excelente alternativa para a descarbonização da matriz energética. Contudo, um dos fatores limitantes para sua aplicação é a cinética lenta da reação catódica de redução do oxigênio, sendo fundamental a utilização de um catalisador. Até o momento, a platina foi o material que apresentou as melhores propriedades catalíticas. Porém, sua utilização em larga escala pode ser uma ameaça às reservas desse material. Portanto, faz-se necessário a busca por novos materiais com propriedades catalíticas comparáveis, ou superiores, à platina. Nesse plano de trabalho, é analisado um material a base de grafeno co-dopado com enxofre e nitrogênio piridínico, com o objetivo de analisar as diferenças de energia das etapas envolvidas nos mecanismos de redução do oxigênio. O trabalho foi realizado de forma teórica, à luz da teoria do funcional de densidade (DFT), através do funcional PBE e utilizando as funções de base cc-pVDZ, sendo considerado um modelo de cluster bidimensional para representação do catalisador. Cálculos de otimização de geometria e frequência vibracional dos pontos estacionários da superfície de energia potencial do mecanismo foram realizados no programa Orca, versão 5.0.3. Há dois mecanismos competitivos nas reações de redução do oxigênio. No mecanismo de 4 elétrons o produto principal é a água, sendo composto das etapas * + O2 --> O2* + e- + H+ --> HO2* + e- + H+ --> O* + e- + H+ --> HO* +e- + H+--> H2O +*. No mecanismo de 2 elétrons, o peróxido de hidrogênio, sendo composto das etapas * + O2 --> O2* + e- + H+ --> HO2* + e- + H+ --> * + H2O2. Nestes esquemas o * representa o sítio de adsorção. Na otimização de geometria do catalisador, onde o enxofre encontra-se na extremidade superior e o nitrogênio piridínico no centro do cluster, pelo fato de haver poucos anéis aromáticos ao redor deste, a estrutura do cluster não ficou perfeitamente planar. Devido à diferença de eletronegatividade do nitrogênio em relação ao carbono, foi constatado que este átomo apresentou a menor carga parcial do cluster, de -0,246. Já o enxofre apresentou carga parcial de -0,088. Os átomos com maiores valores de carga parcial foram os carbonos diretamente ligados ao nitrogênio, com 0,082 e 0,078. Não foi possível convergir uma geometria com adsorção química de oxigênio no catalisador. Como os cálculos foram feitos em fase isolada, infere-se que o meio solvatado ácido (condição de operação de células combustíveis) pode favorecer essa etapa. Esta hipótese será explorada em cálculos futuros. A primeira estrutura adsorvida otimizada, foi o HO2*, que participa dos 2 mecanismos da reação. Na via de 2 elétrons, a diferença de energia corrigida pela energia de ponto zero, foi de -9,50 eV e na via de 4 elétrons, -10,38 eV, que é um primeiro fato que corrobora a preferência, verificada experimentalmente, pela via de 4 elétrons. Nesta etapa do mecanismo de 4 elétrons, o HO2* é convertido em O*, onde foi verificado que este oxigênio fica ligado a dois carbonos vizinhos. Em seguida, o O* é convertido em HO*, com diferença de energia de -8,69 eV. Por fim, HO* é convertido em água, liberando o sítio de adsorção, com diferença de energia de -9,8 eV. Dessa forma, pode-se concluir que o método teórico se mostrou adequado, sendo atribuída à questão da diferença de energia de reação o primeiro fato para a elucidação teórica da preferência pelo mecanismo de 4 elétrons. Esse plano de trabalho terá continuidade com a localização dos estados de transição de cada etapa, cálculos em fase solvatada para cálculos de coeficiente de velocidade e avaliação da atividade catalítica.

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

SOARES, Isys Maciel; MACHADO, Gladson de Souza. INVESTIGAÇÃO DE MATERIAIS A BASE DE GRAFENO UTILIZADOS COMO ELETROCATALIZADORES EM CÉLULAS COMBUSTÍVEL DE H2 - DOPANTES: ENXOFRE E 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/931286-INVESTIGACAO-DE-MATERIAIS-A-BASE-DE-GRAFENO-UTILIZADOS-COMO-ELETROCATALIZADORES-EM-CELULAS-COMBUSTIVEL-DE-H2---DO. Acesso em: 10/03/2026