ESTUDO DE GRAFENO MODIFICADO VIA DOPAGEM DUAL COM NITROGÊNIO PIRIDÍNICO E ENXOFRE PARA ELETROCATÁLISE

Isys Maciel Soares; Gladson de Souza Machado

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Trabalho

Título do Trabalho

ESTUDO DE GRAFENO MODIFICADO VIA DOPAGEM DUAL COM NITROGÊNIO PIRIDÍNICO E ENXOFRE PARA ELETROCATÁLISE

Autores

Isys Maciel Soares
Gladson de Souza Machado

Modalidade

Resumo

Área temática

Ciências Exatas e da Terra - Química

Data de Publicação

27/03/2026

País da Publicação

Brasil

Idioma da Publicação

pt-BR

Página do Trabalho

https://www.even3.com.br/anais/xii-reuniao-anual-iniciacao-cientifica-da-ufrrj-raic/1323985-estudo-de-grafeno-modificado-via-dopagem-dual-com-nitrogenio-piridinico-e-enxofre-para-eletrocatalise

ISBN

978-65-272-2302-3

Palavras-Chave

DFT, cluster, Redução de Oxigênio.

Resumo

A transição para uma matriz energética descarbonizada coloca o hidrogênio como um vetor energético promissor. Um dos principais obstáculos para sua aplicação em células combustível é a cinética lenta do mecanismo de Reações de Redução de Oxigênio (RRO) no cátodo, que requer o uso de catalisadores eficientes. A platina, o catalisador de referência, enfrenta limitações devido ao seu custo e escassez, impulsionando a busca por alternativas baseadas em materiais sustentáveis e de baixo custo. Este trabalho investiga um material catalítico baseado em grafeno co-dopado com enxofre e nitrogênio piridínico, com o objetivo de analisar as diferenças de energia envolvidas nos mecanismos de redução do oxigênio. O estudo foi realizado teoricamente utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT), através do funcional PBE e utilizando as funções de base cc-pVDZ. O catalisador foi modelado como um cluster bidimensional de fórmula C₄₀H₁₉NS, e os cálculos foram realizados considerando sistema isolado. O funcional PBE foi selecionado por oferecer um equilíbrio ideal entre custo computacional e precisão para sistemas de carbono, descrevendo adequadamente energias de ligação, geometrias moleculares e propriedades de adsorção cruciais para este estudo de catálise. A redução de oxigênio pode ocorrer por dois mecanismos competitivos: a via de 4 elétrons (4e⁻), que produz água como produto final, e a via de 2 elétrons (2e⁻), que resulta na formação de peróxido de hidrogênio. As etapas são, respectivamente: mecanismo de 4e⁻: * + O₂ --> O₂ * + e⁻ + H⁺ --> HO₂ * + e⁻ +H⁺ --> O* + H₂O--> HO* + e⁻ +H⁺--> H₂O + *. Mecanismo de 2e⁻: * + O₂ --> O₂* + e⁻ + H⁺ --> HO₂* + e⁻ + H⁺ --> * + H₂O₂ (O asterisco * denota um sítio de adsorção no catalisador). A primeira etapa foi a adsorção do O₂ no sítio ativo (* + O₂ --> O₂*), que se mostrou endotérmica com uma variação energética de +1,62 eV em ambos os mecanismos. Esta é a única etapa endotérmica do processo, indicando que a formação do complexo adsorvido O₂* requer energia para ocorrer. A otimização geométrica mostrou que a perda de planaridade do cluster dopado é acentuada principalmente pela adsorção de O₂ e intermediários da RRO. A presença dos dopantes N e S já introduz uma leve distorção inicial devido às suas propriedades eletrônicas, mas a interação com as espécies adsorvidas amplifica essa não planaridade. Esse efeito é facilitado pela modulação eletrônica dos dopantes, que torna os carbonos vizinhos mais eletrofílicos e receptivos à adsorção. A distorção final resulta, assim, de um efeito combinado entre a preparação do sítio ativo pelos dopantes e as fortes interações com os adsorbatos. A análise de cargas parciais, confirmou que o átomo de nitrogênio apresenta a carga parcial mais negativa -0.246. O enxofre apresentou carga de -0.088, enquanto os carbonos ligados ao nitrogênio exibiram as cargas parciais mais positivas em torno de +0.08. A energia para a formação de HO₂* é a mesma em ambas as vias -9,43 eV, mas a conversão de HO₂* é mais favorável na via de 4e⁻ -10,38 eV em comparação com a via de 2e⁻ -9,50 eV. Isso indica que a via de 4e⁻ é termodinamicamente preferida a partir deste intermediário. Na via de 4e⁻, a etapa final de liberação de água é altamente exoérgica -9,80 eV, corroborando a robustez do mecanismo de 4 elétrons para a produção de água, pois as energias mais exotérmicas indicam maior estabilidade dos intermediários e produtos finais. Este plano de trabalho terá continuidade com a localização dos estados de transição, cálculos em fase solvatada, determinação de coeficientes de velocidade e uma avaliação mais abrangente da atividade catalítica.

Título do Evento: XII Reunião Anual de Iniciação Científica da UFRRJ (RAIC 2025) & VI Reunião Anual de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (RAIDTec 2025)
Cidade do Evento: Seropédica
Título dos Anais do Evento: Anais da Reunião Anual de Iniciação Científica e Reunião Anual de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação da UFRRJ - Justiça climática: por um mundo mais sustentável, justo e igualitário
Nome da Editora: Even3
Meio de Divulgação: Meio Digital

Como citar

SOARES, Isys Maciel; MACHADO, Gladson de Souza. ESTUDO DE GRAFENO MODIFICADO VIA DOPAGEM DUAL COM NITROGÊNIO PIRIDÍNICO E ENXOFRE PARA ELETROCATÁLISE.. In: Anais da Reunião Anual de Iniciação Científica e Reunião Anual de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação da UFRRJ - Justiça climática: por um mundo mais sustentável, justo e igualitário. Anais...Seropédica(RJ) UFRRJ, 2025. Disponível em: https//www.even3.com.br/anais/xii-reuniao-anual-iniciacao-cientifica-da-ufrrj-raic/1323985-ESTUDO-DE-GRAFENO-MODIFICADO-VIA-DOPAGEM-DUAL-COM-NITROGENIO-PIRIDINICO-E-ENXOFRE-PARA-ELETROCATALISE. Acesso em: 30/05/2026